автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Разработка научных и технологических основ создания перевязочных средств из биодеструктируемых и биосовместимых волокнистых материалов на основе полилактида

005001921

На правах рукописи

Луканина Ксения Игоревна

Разработка научных и технологических основ создания перевязочных средств из биодеструктируемых и биосовместимых волокнистых материалов на основе полилактида

Специальность 05.11.17 Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 НОЯ 2011

Москва 2011

005001921

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Федеральном государственном унитарном предприятии «Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л.Я. Карпова»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Будыка Александр Константинович Научный консультант: доктор технических наук Беняев Негмат Ефремович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Шутов Александр Алексеевич доктор технических наук Давыдов Анатолий Борисович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук «Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова» (ИСПМ РАН) 117393 Москва, ул. Профсоюзная, 70

Защита состоится «1( » декабря 2011 г. в -1'0на заседании диссертационного совета Д. 208.001.01 при ФГУ «Всероссийский Научно-Исследовательский и Испытательный Институт Медицинской Техники» Росздравнадзора по адресу: 129301, г. Москва, ул. Касаткина, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ «ВНИИИМТ»

Автореферат разослан « (у» » ноября 2011 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

к.т.н. Козловский Э.Б.

..., 1 г. / >: • Актуальность работы Рост масштабов .последствий природных и техногенных катастроф, террористических- актов, ^пожаров и других негативных факторов, сопровождающих современное общество, обусловливает необходимость поиска новых действенных средств оказания помощи пострадавшим в чрезвычайных ситуациях. По данным Минздрава России, в год число больных с раневыми и ожоговыми травмами составляет 57 человек на 1000 населения и занимает третье место по распространённости обращения пострадавших за медицинской помощью. При этом раневые инфекции занимают третье место в структуре всех нозокомиальных инфекций. Отсутствие высокоэффективных перевязочных средств или их высокая стоимость и малая доступность при восстановительном лечении термических или иных травм приводит к возникновению осложнений и, в конечном счете, к повышению уровня смертности пострадавших. Около 51,8% коечного фонда стационаров России принадлежит отделениям гнойной хирургии, где более 40% хирургических больных составляют пациенты с инфекционными осложнениями, что увеличивает сроки их госпитального лечения на 7-68 дней. Поэтому среди широкого спектра перевязочных средств (ПС) значительное место занимают раневые и ожоговые повязки, обладающие направленным воздействием и ускоряющие процессы регенерации поврежденных тканей за счет иммобилизованных в них лекарственных препаратов. Использование биологически активных ПС для комплексного лечения ран способствует снижению терапевтических доз препаратов и времени лечения при воспалительных процессах и кожных повреждениях, требующих общего медикаментозного лечения.

Несмотря на очевидную' важность задачи создания ПС с направленным лечебным действием' для клинической медицины, до сих пор не разработаны перевязочные материалы," отвечающие всем необходимым требованиям: (1) существующие средства либо имеют малый срок хранения и сложны в изготовлении, например препараты дермы; (2) либо узкую специализацию - гемостатические, бактерицидное' и другие; '(3) либо недостаточную проницаемость для газов и паров воды, к ним относятся, например, пленочные покрытия. Существующие полифункциональные комбинированные перевязочные средства имеют высокую стоимость и практически не представлены на российском фармацевтическом рынке. Потребность в современных,- высокоэффективных и атравматичных ПС, обеспечивающих дозированную доставку лекарственных препаратов, вынуждает искать иные подходы при создании перевязочных материалов нового поколения.

Большинству требований, предъявляемых к раневым и ожоговым ПС, удовлетворяет микроволокнистая структура из биосовместимых и биодеструктируемых полимеров, содержащая медицинские препараты, высвобождаемые по мере ее контакта с раневой поверхностью. В настоящее время наиболее эффективным методом получения нетканых материалов из микро- и нановолокон является электроформование из полимерных растворов. Этот метод позволяет получать высокопористые материалы с уникальными фильтрующими свойствами. Кроме того, в зависимости от назначения изделия возможно получать материалы с равномерно или поверхностно распределенными в волокне наполнителями.

Дозированная доставка лекарственных средств подразумевает деструкцию матрицы, содержащей терапевтические компоненты. Одним из перспективных биополимеров, обладающих способностью к биоразложению, является нетоксичный и метаболически инертный полилактид аморфной (РЬОА) и частично-кристаллической (РЬЬА) форм. Деструкция перевязочного средства из полилактида обуславливает необходимость использования внешнего защитного слоя, который будет выполнять функцию каркаса изделия и исключит возможность попадания инфекции в область раны. Внешний слой должен быть гидрофобным, биологически инертным, прочным и эластичным. Этим требованиям соответствует материал из фторполимера.

Таким образом, для создания ПС отвечающего требованиям полифункциональности, необходима разработка подходящей структуры перевязочного материала и технологии его получения. Вышесказанное невозможно без всестороннего исследования физико-химических, в том числе, реологических характеристик полимерных растворов и анализа влияния технологических параметров на эффективность процесса электроформования волокон и на свойства получаемых волокнистых структур. Таким образом, разработка доступного атравматичного перевязочного средства, позволяющего сократить сроки лечения и повысить эффективность оказываемых лечебных мероприятий, представляет собой актуальную научную проблему.

Цель работы - разработка научных и технологических основ создания полифункциональных перевязочных средств, обладающих дозированным высвобождением лекарственных препаратов из биодеструктируемых и биосовместимых волокнистых материалов для повышения эффективности местного лечения ран и ожогов.

Для достижения данной цели необходимо провести анализ полимерных систем, установить технологические режимы электроформования из растворов фторполимера и полилактида и решить следующие задачи:

1. Руководствуясь медицинскими, санитарно-гигиеническими и технологическими требованиями обосновать структуру и метод получения материалов из композиции полимеров для формирования перевязочного средства.

2. Разработать технологию получения перевязочных средств нового поколения на основе исследования реологических свойств растворов и параметров процесса электроформования.

3. Разработать технологические приемы введения лекарственных средств в структуру материала контактного слоя изделия.

3. Исследовать физико-механические и эксплуатационные характеристики полученных образцов материала ПС.

4. Провести доклинические испытания готового разработанного изделия при моделировании ожоговых ран на подопытных животных. Выполнить морфологические и токсикологические исследования.

Научная новизна

1. Исследовано влияние реологических свойств растворов фторполимеров и полилактидов на процесс образования волокон в электростатическом поле. с целью выбора полимеров с наилучшими волокнообразующими свойствами.

2. Установлены режимы получения нетканых материалов для ПС из биосовместимого фторполимера и биоразлагаемого полилактида с большей производительностью электроформования.

3. Предложена полимерная композиция из полилактида с 20% добавкой поливинилпиролидона для увеличения влаговпитываемости контактного слоя ПС до 1000%.

4. Предложены технологические приемы для получения волокнистых материалов из растворов на основе полилактида с иммобилизованными терапевтическими компонентами.

5. Показана безопасность и высокая лечебная эффективность разработанных ПС на основе токсикологической экспертизы, планиметрических и морфологических исследований ожоговых поверхностей у подопытных животных.

Практическая значимость и обоснованность результатов исследований. Результаты, изложенные в диссертационной работе, можно использовать при разработке опытно-промышленной технологии производства ПС нового поколения.

Разработанное медицинское изделие предназначено для применения в травматологии и медицине катастроф при оказании эффективной помощи пострадавшим.

Производство разработанных перевязочных средств не потребует принципиальной модернизации и переоснащения существующего технологического оборудования, предназначенного для изготовления волокнистых материалов методом электроформования, которыми располагают ОАО ЭХМЗ (Электросталь), ЗАО Эсфил-техно (Силламяэ, Эстония), ЗАО Сорбент (Пермь) и др. Практическая значимость диссертационной работы подтверждена: (1) положительным заключением об эффективности и не токсичности ПС, полученным после доклинических исследований на 420 лабораторных животных в Государственном центре перевязочных, шовных и полимерных материалов при ФГУ «Институт хирургии им. A.B. Вишневского» РАМН и «ГНИИ Военной медицины» МО РФ; (2) лабораторными технологическими регламентами на производство материалов для ПС на единичном модуле промышленного конвейера; (3) партией экспериментальных образцов материала в количестве 2 м2 на основе разработанной модели ПС.

Внедрение разработанных перевязочных средств позволит повысить эффективность оказания помощи при термических или механических травмах, сократить сроки реабилитации пострадавших, увеличить комфортность и атравматичность проводимых лечебных мероприятий, особенно в случаях обширных кожных повреждений.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Структура и композиция лечебного перевязочного средства для ран и ожогов на основе полилактида и фторполимера позволяет создать оптимальную микросреду для заживления ран и обладает направленным терапевтическим воздействием на всех стадиях раневого процесса.

2. Полимерные системы на основе 0,Ь-полилактида в этилацетате обладают аномалией вязкости, которая - увеличивается при добавлении поливинил-пиролидона в раствор, что позволяет расширить границы устойчивости процесса электроформования.

3. Увеличение влаговпитываемости перевязочного средства до 1000% достигается за счет введения поливинилпиролидона в структуру волокон.

4. Технология получения нетканого материала из полилактида методом электроформования на основе систем PLDA/этилацетат, PLLA/хлороформ позволяет получать биосовместимые материалы с различной скоростью деструкции.

5. Разработанная технология производства материалов с бактерицидной

активностью по отношению к грамотрицательной и грамположительной микрофлоре позволяет получать перевязочные средства для дозированной доставки различных терапевтических компонентов к поврежденным поверхностям.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на VI, VII, VIII Петряновских чтениях (Москва, 2007, 2009, 2011 г.); на X Всемирном конгрессе по вопросам фильтрации (WFC) (Лейпциг, Германия, 2008); на Всеросс. конф. по физической химии и нанотехнологиям «НИФХИ-90» (Москва, 2008); на Всеросс. конф. «Физико-химические аспекты технологии наноматериалов, их свойства и применение» (Москва, 2009); на Всеросс. научной школе для молодежи «Актуальные проблемы современной физической химии» (Москва, 2009).

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах: в том числе в 2 * статьях в журналах, рекомендуемых ВАК РФ и 5 сборниках материалов научно-практических конференций.

Личный вклад автора. Выносимые на защиту результаты получены, автором самостоятельно. Участие соавторов по публикациям сводится к методическим консультациям и содействию в получении экспериментальных результатов доклинических и токсикологических испытаний.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 5 приложений, включающих техническую документацию и результаты испытаний. Общий объем составляет 230 страниц печатного текста, в том числе 43 рисунка, 62 таблицы, 180 библиографических ссылок.

Методы исследования. Измерение динамической вязкости растворов проводили на вискозиметре Хеплера (Thermo Haake, typ 002-7580), реологические исследования выполняли на ротационном вискозиметре «Rheotest 2.1» в диапазоне скоростей 1,5-1200 с"' (MLW), измерение электропроводности растворов - с помощью кондуктометра «Эксперт - 002» (Эконикс). Для оценки диаметра волокон материала использованы оптическая и сканирующая электронная микроскопия. Для исследования свойств волокнистых материалов применяли: метод измерения гидродинамического сопротивления волокнистого материала; методы измерения коэффициента проскока по атмосферному аэрозолю с помощью лазерного аэрозольного спектрометра «ЛАС-П»; методы оценки влаговпитываемости по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 3816-81. Физико-механические испытания образцов нетканых материалов, подготовленных в соответствии с ГОСТ 11262-80, выполнены на установке Instron (mod. 3365). Доклинические исследования

проведены с использованием гистологических, планиметрических и других медицинских методов предназначенных для экспертизы изделий медицинского назначения. Обработка опытных данных осуществлялась с использованием общепринятых методов математической статистики при задании 95% доверительного интервала. Вычислительные процедуры проводили с использованием приложений MathCad 2000 и MS Excel.

Содержание работы

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрены особенности течения раневого процесса для гнойных и ожоговых поверхностей. Приведен анализ преимуществ и недостатков существующих ПС и сформулированы требования для полифункционального раневого покрытия нового поколения. Современные ПС должны создавать оптимальную микросреду для заживления ран различной этиологии и обладать направленным терапевтическим воздействием, в том числе отвечать следующим требованиям: (а) обладать высокой абсорбционной способностью в отношении раневого экссудата и достаточной проницаемостью, исключающей высушивание дна раны; (б) обеспечивать защиту от бактерий и вирусов; (в) обладать эластичностью; (г) легко удаляться с поверхности кожи; (д) не оказывать раздражающего и аллергического действия; (е) содержать лекарственные вещества (антибактериальные, репаранты); (ж) обладать устойчивостью к стерилизации. Показано, что этим требованиям соответствует микро- и нановолокнистый материал из биосовместимых и биодеструктируемых полимеров. Для получения разрабатываемых ПС выбран метод электроформования, который позволяет эффективно получать наноразмерные материалы за одну технологическую операцию. Суть метода электроформования заключается в образовании жидкого волокна из полимерного раствора, подаваемого через капилляр в электростатическое поле. Волокно по мере движения к приемному электроду вытягивается, расщепляется и отверждается за счет испарения растворителя (рис. 1А). В зависимости от реологических и электропроводящих характеристик полимерного раствора, а также от технологических параметров процесса (приложенного напряжения, межэлектродного расстояния и др.) можно изменять размер волокон и плотность упаковки волокнистого материала. На рис. 1А представлена схема лабораторной установки для электроформования. В зависимости от решаемых задач в качестве осадительного электрода можно использовать различные виды приемных устройств (рис. 1Б).

Приточно-вытяжная вентипщм_/

А Б

Рисунок 1 - Лабораторная установка для электроформования (А) и различные

варианты приемных электродов (Б)

Волокнистые материалы, полученные методом электроформования, имеют большую удельную поверхность за счет меньшего диаметра волокон, следовательно, время деструкции контактного слоя перевязочного материала может регулироваться в широких пределах при изменении диаметра волокон. Особенности структуры позволяют данным материалам обладать исключительными фильтрующими свойствами по отношению к аэрозольным частицам любого происхождения и при этом не препятствовать свободному газообмену.

Существует возможность нанесения перевязочных микро- и нановолокнистых материалов непосредственно на раневую поверхность с помощью компактных устройств (например, прибора «Мираж»). Указанное устройство является автономным высоковольтным генератором волокон, позволяющим в полевых условиях оказывать первичную медицинскую помощь при лечении ран и ожогов.

На основе анализа литературных данных о современных перевязочных средствах и методах их получения обоснован выбор полимерной композиции разрабатываемого ПС из биоразлагаемого полилактида с различными терапевтическими добавками и внешнего защитного слоя из гидрофобного и эластичного фторполимера. В качестве растворителя для метода электроформования выбран этилацетат, используемый в промышленности для производства медицинских изделий и показавший хорошие волокнообразующие свойства прядильных растворов из указанных полимерных систем.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены научные и технологические основы разработки внешнего защитного слоя перевязочного средства. Для этих целей исследованы реологические свойства растворов на основе системы фторопласт - 42 (Ф-42, сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом марок «в» и «л» с весовыми молекулярными массами (ММ) 540 и 490 кДа, соответственно) в этилацетате (ЭА) или бутилацетате (БА), определены технологические режимы получения волокнистого слоя методом электроформования и физико-механические свойства образцов волокнистого материала.

Для выбора подходящей марки Ф-42 исследованы физико-химические свойства полимерных растворов. Комплекс реологических исследований включает: изучение зависимости динамической вязкости от скорости сдвига (ц(у)), расчет времен релаксации макромолекул (()(у)) и анализ энергии активации вязкого течения Еа.

Установлено, что для рассматриваемых полимерных систем прикладывание деформирующих усилий приводит к возникновению аномалии вязкости, которая достоверно регистрируется при снижении начальной вязкости более, чем на 10%. В табл.1 приведены значения напряжения сдвига (г) для разных концентраций (С), при которых полимерный раствор Ф-42 ведет себя как аномально-вязкая жидкость, а также величины снижения вязкости (Д) при максимальной скорости сдвига.

Таблица 1 - Реологические характеристики растворов из Ф-42

Полимер С,% //, Па-с т, Па Д,%

Ф-42 «в» 4±0,04 0,06±3-10-' 2,3±0,06 60

8±0,08 0,53±0,02 9,7±0,29 66

10±0,10 2,02±0,10 12,8±0,38 50

12±0,10 5,20±0,26 75,4±2,26 70

Ф-42 «л» 8±0,08 0,13±6-10"3 2,0±0,06 46

10±0,10 0,33±0,01 5,1±0,15 40

12±0,10 0,94±0,04 30,7±0,92 43

Как видно из табл. 1, у Ф-42 «в» аномалия более выражена (62%), чем у Ф-42 «л» (43%), но наступает при больших значениях скорости сдвига. Наличие большей аномалии вязкости у Ф-42 «в» позволяет использовать более концентрированные растворы для достижения заданного диаметра волокон, что позволяет расширить границы устойчивости процесса формования и повысить производительность процесса изготовления ПС.

На рис. 2Б представлены зависимости времен релаксации от приведенной вязкости и скорости сдвига для растворов Ф-42 различной концентрации. Видно, что чем выше скорость сдвига, тем отклонение вязкости от нормального значения выражено ярче и время релаксации меньше.

Рисунок 2 - Зависимость времен релаксации О от скорости сдвига у для разных концентраций Ф-42 (А) и зависимость приведенной вязкости г/„р от {Э'У и У (Б)

Для получения более тонких волокон в раствор добавляли высококипящий растворитель бутилацетат (БА). Как следует из рис. 2А, добавление БА в раствор Ф-42 «в» приводит к увеличению времени релаксационных процессов, и, как следствие, к усилению ориентации макромолекул и большей прочности волокон материала. Однако добавка БА приводит к получению более проклеенного материала (пересечение волокон фиксировано) с меньшим диаметром волокон. Очевидно, что прочность проклеенного материала выше, относительное удлинение меньше, а плотность упаковки больше, при этом интенсивность газообмена значительно ниже. В связи с этим использовать данный растворитель для регулирования физико-механических свойств материала нерационально.

Установлено, что Ф-42 обеих марок имеет схожее значение энергии активации макромолекул - 16,7±0,2 и 14,2±0,2 кДж/моль. Небольшое отличие обусловлено разными молекулярными массами Ф42 «в» и Ф42 «л». Энергию активации вязкого течения рассчитывают из соотношения Френкеля по температурной зависимости динамической вязкости:

Еа

Т] = Ве^ (1)

где г] - динамическая вязкость, Т - температура, Еа - энергия активации вязкого течения, В - постоянная, зависящая от температуры и частоты колебания молекулы, Я - газовая постоянная, Дж/(моль-К).

Значения энергии активации фторопласта-42 характерны для гибкоцепных полимеров. Наличие выраженной аномалии вязкости обусловлено гибкостью полимерной цепи фторполимера.

На основе выполненных реологических исследований Ф-42 двух марок в качестве внешнего слоя ПС выбран Ф-42 «в», так как он позволяет получать волокнистый материал с большим диапазоном функциональных свойств, а производительность его электроформования выше.

Для исследования технологических режимов получения материала из Ф-42 определены зависимости диаметра волокон от объемного расхода (0,03-1,2 см3/мин) и электропроводности в интервале Ю'МО"4 См/см при разных значениях вязкости (от 0,1 до 1,3 Па с). Величину электропроводности регулировали добавлением тетра-н-бутиламмониййодида в прядильный раствор, на остальные технологические параметры добавка электролита существенного влияния не оказывала.

1 L5 0 0.5 1 1,5

G, см3/мин G, см3/мин

А Б

Рисунок 3 - Зависимость среднего диаметра волокон dq, Ф-42 от объемного расхода G при различных вязкостях для электропроводности раствора (5±2)Т0_6 (А) и (5±2)Т0~7 См/см (Б)

На рис. 3 приведена зависимость диаметра волокон из Ф-42 от объемного расхода при различных значениях вязкости и электропроводности растворов. Из представленных данных следует, что диаметр формуемых волокон незначительно зависит от величины объемного расхода. Так, при увеличении объемного расхода в 40 раз диаметр волокон возрастает в среднем на 20 %. Это объясняется тем, что скорости сдвиговых деформаций у основания капилляра (в области конуса Тейлора) приходятся на диапазон нижней границы аномалии вязкости, что следует из реологического анализа растворов на основе Ф-42.

Устойчивый процесс электроформования волокон микронного диаметра из Ф-42 устанавливается при объемном расходе 0,5 - 0,9 см'/мин. Под устойчивым режимом подразумевается такой, при котором (а) процесс формования остается стабильным во

времени; (б) не наблюдается разбиение полимерной струи на капли; (в) образцы получаются равномерными по толщине и не проклеенными, то есть волокна успевают высохнуть до осаждения на приемный электрод. При значениях объемного расхода выше 1,2 см'/мин материал получается сильно проклеенным, при значениях менее 0,5 см'/мин - происходит подсыхание раствора на срезе капилляра и процесс становится нестабильным вне зависимости от величины межэлектродного расстояния и режима обдувки парами растворителя.

Как видно из табл.2, размер формуемых волокон слабо зависит от электропроводности раствора. Электропроводность прядильного раствора (Л) определяет силу вытягивания полимерной струи во внешнем электрическом поле, под действием которой полимерная система переходит в высокоэластическое состояние и происходит ориентация макромолекул вдоль прикладываемой нагрузки. Применительно к Ф-42 с увеличением нагрузки происходит разрушение пространственной сетки макромолекул и вязкость полимерной струи падает, как следствие - диаметр формуемых волокон изменяется в узком диапазоне.

Таблица 2 - Зависимость среднего диаметра волокон от электропроводности

ц, Па-с Д, См/см (5±2)Т0"4 (5±2)Т0° (5±2)Т06 (5±2)Т0"'

0,15±7Т0"3 £?(.„, МКМ 0,40±0,02 0,70±0,03 0,74±0,03 0,72±0,03

0,35±0,02 МКМ - 0,71±0,03 0,89±0,04 0,94±0,04

Важным технологическим параметром является эффективная скорость волокнообразования, выражаемая как суммарная длина волокон, накапливаемых на осадительном электроде за единицу времени:

ШсрР,

где р,м„„ рп - плотность растворителя и полимера. В основном скорость зависит от объемного расхода и, в меньшей степени, от вязкости раствора. При увеличении объемного расхода в 200 раз скорость увеличивается от 0,2 до 1,2 км/с.

Одной из особенностей полимера Ф-42 является то, что он позволяет получать ультратонкие волокна в нанометровом диапазоне. Как следует из представленных на рис. 4 данных, характер спектра (наличие нескольких мод) свидетельствует о делении первичной струи на дочерние в процессе электроформования.

Я1

л=80

¿„=90±4 им Бугилацетат

Ни

13.6 54,5 95,4 136.2 177.1 218 (/, НМ

Рисунок 4 - Распределение волокон Ф-42 по размерам

Однако получение нановолокнистых структур снижает производительность процесса и повышает гидродинамическое сопротивление материала. Исследование механических свойств образцов показало, что при пористости волокнистого материала 92% (что соответствует плотности упаковки 8%) напряжение на разрыв равно 2,0±8-10"3 МПа, а относительная деформация - 170±3%. Эти показатели выше, чем у большинства микроволокнистых материалов, полученных методом электроформования. Таким образом, физико-механические испытания полученных экспериментальных образцов подтверждают целесообразность применения материала из фторлолимера в качестве защитного покрытия для перевязочных средств.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрены научные и технологические основы разработки контактного лечебного слоя ПС. Для этих целей исследованы реологические свойства растворов на основе системы полилактид РЬЭА/этилацетат (изготовлен в лаборатории синтеза полимеров «НИФХИ им.Л.Я.Карпова») и Р1ХА/хлороформ (изготовитель «Хитачи», Япония) с различными молекулярными массами (от 35 до 230 кДа); определены режимы получения волокнистого материала методом электроформования; его физико-механическис свойства и возможность введения поливинилпиролидона (ПВП) и терапевтических компонентов в состав волокон.

Кинетическая гибкость цепи макромолекулы полимера отражает скорость ее перехода из одного энергетического состояния в другое и определяется энергией активации. В процессе реологических исследований получено значение энергии активации вязкого течения РЬОА - 15,5±0,1 кДж/моль, это значение соответствует Еа гибкоцепных полимеров. Большее значение энергии активации для Р1ХА - 36,4±0,3 кДж/моль - обусловлено спиралевидной конформацией его макромолекул. Как следствие, он проявляет свойства жесткоцепного полимера, что усложняет регулировку технологических параметров в процессе электроформования.

Показано, что реологические кривые растворов на основе РГЛЗА описываются уравнением Оствальда-де Виля как аномально-вязкие жидкости:

""(£Т <3)

где ^ - градиент скорости, с"1, п - показатель, характеризующий тип жидкости. ¿г

Установлено, что введение в раствор 20% добавки поливинилпиролидона с ММ 12 кДа приводит к возникновению выраженной аномалии вязкости при нагружении системы. Вероятно, это явление обусловлено расширением молекулярно-массового распределения, то есть увеличением полидисперсности системы.

Установлено, что в отличие от РЬЬА, полилактид РЬОА обладает аномалией вязкости, что обусловлено большей гибкостью цепи и меньшим размером макромолекул при тех же значениях ММ. По мере увеличения концентрации раствора, с„, увеличивается степень структурообразования, сопровождающаяся повышением аномалии вязкости. Время перехода одной конформации макромолекулы в другую определяется временем релаксации макромолекулы <2, с, из уравнения:

12-Л/-С7Р-^с) (4)

с, Л Г

где М-молекулярная масса, Да; чраст- вязкость раствора и растворителя, Пас.

Зависимость вязкости от скорости сдвига определяется выражением:

у —г/// (5)

где г - сдвиговое напряжение, Па; у - сдвиговая скорость, с"'.

Для полилактида наблюдается незначительное, порядка 5 %, снижение времен релаксации макромолекул при нагружении системы, как следует из данных, представленных в табл. 3.

у, с"1 30 100 150 200 250

РЬОА - 0,4 Па-с 2, мс 0,21 0,20 0,20 0,20 0,19

Р1Л)А - 1,0 Па с 0,38 0,37 0,37 - -

Проведена серия экспериментов по изучению зависимости диаметра получаемых волокон от объемного расхода при разных значениях вязкости (от 0,1 до 1,8 Па-с) и электропроводности в интервале 10"6- 10"5 См/см. Из приведенных на рис. 5 Б данных следует, что зависимость диаметра формуемых волокон от величины объемного расхода незначительна: так, для РЬЭА с ММ 35 кДа при увеличении расхода в 15 раз

средний диаметр волокон увеличивается на 20%; для полилактида с ММ 230 кДа на 25%.

I 3 X 15% 230 кДа ® 11 % 230 кДа J

5 /// ^ 2,5 □ 8,5% 35 кДа »9,4%35кДа

+ 9% 230 «Да * 7% 35 кДа

3 Е 2 1,5 X 5,5% 35 кДа

2 ♦ 10% 1

1 * X л 8% к 8%+ПВП 0,5 _ «— *- " JJ х- -— " — X

0 0

0,02

0,04 0,06 0,08

(7, см3/мин

0,2

0,4 0.6 0.8 (7, см'/мпн

Рисунок 5 - Зависимость среднего диаметра dcp волокон от объемного расхода G при различных концентрациях растворов и ММ для PLLA (А) и PLDA (Б)

Для более высокомолекулярного полимера с ММ 230 кДа верхняя граница устойчивости процесса получения волокон наблюдается при большем объемном расходе 1,50 см3/мин, дальнейшее увеличение приводит к получению сильно проклеенного материала.

Технологические параметры режимов получения микроволокнистых материалов из полилактида представлены в табл. 4. Как видно из представленных данных, средний диаметр волокон из PLLA существенно зависит от объемного расхода и возрастает в 5 раз по сравнению с начальным значением (рис. 5А). По-видимому, это обусловлено большей жесткостью цепи макромолекул PLLA. Добавление 20% ПВП в прядильный раствор расширяет верхнюю границу устойчивости процесса формования до 0,90 см3/мин.

Полимер ММ, Gfnin, ^ тах- Gonnn d/nm, dmaxi

кДа см3/мин см3/мин см3/мин мкм мкм

PLDA 35 0,050 0,60 0,40±0,08 0,3 1,4

230 0,090 1,50 0,78±0,15 0,5 1,5

PLLA 100 0,006 0,50 0,30±0,06 0,6 6,0

Как видно из табл. 4, волокна PLLA существенно больше волокон из PLDA при меньших объемных расходах, следовательно, с технологической точки зрения при промышленном производстве микро- и нановолокнистых материалов предпочтительней использовать низкомолекулярный PLDA, так как производительность процесса его электроформования выше.

мкм

А Б

Рисунок 6 - Структура волокнистого материала из Р1Х)А (А) и распределение волокон РЬЬА с добавкой ПВП по размерам (Б)

Спектры размеров волокон для частично кристаллической формы полилактида бимодальны, что, как известно из литературных источников, указывает на однократное деление струи в процессе электроформования. Однако при добавлении в исходный раствор ПВП спектр выравнивается, и структура материала становится более равномерной, как показано на рис. 6.

Исследование влаговпитываемости осуществляли по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 3816-81. Установлено, что влаговпитываемость полилактида имеет невысокое значение: для Р1ХА - это 150%, для РЬОА - 80%. Однако, в зависимости от назначения материала и фазы раневого процесса можно подобрать необходимую величину влаговпитываемости путем добавки ПВП в структуру волокон. Например, 20% добавка ПВП позволяет повысить влаговпитываемость до 1000%. Набухая под действием раневого экссудата, полимер превращается в гидрогель, который увеличивает атравматичность материала и позволяет лекарству дозировано переходить в область раневого ложа.

Изучены механические (деформация и напряжение при разрыве) и гидродинамические свойства (перепад давления воздушного потока, фильтрующие свойства) материалов на основе полилактида с поверхностной плотностью 45 г/м2 и плотностью упаковки 8%, указаны параметры материала из разработанного лабораторного регламента (табл.5). Установлено, что деформация при разрыве для РЬБА выше и составляет, в среднем 60 %, против 11% у Р1ХА. Эффективность фильтрации для всех исследуемых материалов составляет не менее 99% при скорости воздушного потока 0,01 м/с.

Таблица 5 - Физико-механические свойства материала из полилактида

Тип полилактида и ММ, кДа Толщина (0,01%), мм Сопротивление воздушному потоку 1 см/с, Па Механические свойства

Деформация при разрыве, % Напряжение на разрыве, МПа

РЬЬА 100 0,50 5+2,0 11 ±0,2 0,180±0,001

РЬЭА 35 0,25 10+2,0 27+2,0 70+1,4 55+1,1 2,80+0,01 1,50+0,01

170

Оценку эффективности фильтрации осуществляли с использованием аэрозолей селена с диаметром частиц 0,3 мкм (наиболее проникающий размер аэрозольных частиц). Таким образом, применение разработанных материалов исключает возможность вторичного инфицирования раны за счет попадания в раневую полость аэрозольных частиц - носителей бактерий и вирусов.

Для придания контактному слою материала лечебных свойств предложены технологические приемы введения в структуру волокон терапевтических компонентов в виде жидкости или порошка. Исследования проведены с использованием: 1) рифампицина (5% от веса полимера), который предварительно растворив в 2 мл спирта, постепенно добавляют в полимерный раствор (рис.7); 2) водных растворов коллоидного серебра или меди (20% от веса полимера), которые добавляют непосредственно в полимерный раствор. Таким образом, материал содержит лечебный компонент, равномерно распределенный по объему волокна. Также введение лекарственных средств возможно непосредственно в процессе формования путем распыления порошка или капельной жидкости в область межэлектродного пространства. В этом случае лекарственное средство располагается на поверхности волокон, что позволяет повысить начальную концентрацию лекарств, но снизить время их активного действия, рис.7Б.

2009.04.03 15:12

Рисунок 7 - Волокна из полилактида с добавкой рифампицина ^=1,0±0,05 мкм (А) и коллоидного серебра (Б) с1ср= 0,8±0,04 мкм

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ описана технология изготовления медицинского изделия и результаты доклинических испытаний разработанных перевязочных средств на лабораторных животных (аутобредные крысы линии 50). Совместно с сотрудниками «ГНИИ Военной медицины» МО РФ и ФГУ «Института хирургии им. А.В.Вишневского» проведена комплексная оценка лечебных и токсикологических свойств новых ПС на основе полилактида с лекарственными препаратами по сравнению со стандартным покрытием «Медитекс» (основа - хлопковискозные волокна, контактный слой - трикотажное сетчатое полотно).

Технология изготовления разработанного ПС основана на непосредственном напылении волокон полилактида на слой материала из Ф-42. Использование одного растворителя для изготовления обоих волокнистых слоев обеспечивает их надежное скрепление. Полученные таким образом на промышленной установке листы двухслойного материала размером (1650±10, 650±10 мм) разрезаются на салфетки 50x50 и 100x100 мм, которые крепятся к поврежденной поверхности фиксирующими пластырями по ГОСТ Р 53498-2009. Срок годности готового ПС в вакуумной упаковке составляет 3 года. Стерилизацию ПС проводят радиационными методами с дозой 15 кГр (источник а,Со) по ГОСТ Р ИСО 11140-1-2009.

Доклинические исследования разработанных средств осуществлены в два этапа на 420 белых беспородных крысах массой 180±20 г. На первом этапе исследовали эффективность и лечебные свойства изделия, на втором - его безопасность при контакте с раневой поверхностью.

Эффективность ПС (контактный слой: РЬОА 83,33% / поливинилпиролидон 16,65%/серебро или медь 0,02%) исследовали на моделях ожоговых ран. Термические ожоги у крыс моделировали в межлопаточной области. У наркотизированных животных производили депиляцию шерсти в области спины, после чего наносили ожоговые раны площадью 320 мм2 (ожог 3-4 степени). Объективную оценку процессов заживления осуществляли посредством клинического наблюдения за раневым процессом (табл. 6), планиметрического и морфологического исследования.

В процессе исследований показано, что разработанные ПС не приливают к раневой поверхности и не оставляют в ране волокон. Контактный слой изделия впитывает раневой экссудат, но не высушивает дно раны.

- ч

жг.*-

Б

Рисунок 8 - Фотография раны на 14 сутки лечения: покрытие «Медитекс» (А), покрытие РЬОА/ПВП/коллоидное серебро (Б)

Как видно из рис. 8, новые биодеградируемые ПС на основе полилактида

способствуют ослаблению воспалительной реакции и более раннему развитию процессов репарации ожоговых ран у крыс.

__Таблица 6 - Результаты клинических исследований

№ Группы животных и метод лечения Средний срок, сутки Ускорение заживления по отношению к контрольной группе, %

Отторжение первичного струпа Заживление

1 Контрольная 15,2±1,4 29.8±0,8 -

2 PLDA 13,1±0,6 26,3,±0,6 5,3

3 PLDA/ПВП 13,5±0,7 26,0±0,5 6,7

4 PLDA/ПВП/медь ПДУ),7 24.2±0,2 10,9

5 РLDА/ПВП/серебро | 7,0±0,5 17,2±1,1 20,3

В процессе морфологических исследований на 2. 7 и 14Ё сутки у подопытных животных иссекали фрагменты ран. Показано, что у животных четвертой и пятой групп заживление поврежденных тканей протекало в более сжатые сроки. Это проявлялось в ослаблении микробной обсемененности. микроциркуляторных расстройств, нейтрофильной инфильтрации и отечности ткани. Эпителизация раны начиналась к третьим суткам лечения.

Исследование антимикробной активности осуществляли на эпидермальном стафилококке St. Epidermidis и синегнойной палочке Pseudomonas aeruginosa. Согласно полученным данным, роста грамположительной и грамотрицательной микрофлоры под образцами ПС не наблюдалось, что говорит о бактериостатическом эффекте разработанных материалов.

Безопасность разработанных изделий изучали в четыре этапа в соответствии с ГОСТ Р ИСО 10993-1-2009. На первом и втором этапах токсикологические испытания осуществляли на вытяжках из волокнистых материалов. Из образца перевязочного

средства вырезали участки размером 1,0x1,0 см, после чего их помещали в стеклянные емкости, содержащие стерильную среду «Игла» и термостатировали. В первой группе изучали острую токсичность вытяжек ПС при внутрибрюшинном, а во второй — при внутримышечном введении крысам. В третьей группе животных определяли местно-раздражающий, а в четвертой - сенсибилизирующий эффекты вытяжек изучаемых ПС. При выполнении токсикологических исследований в качестве контрольной группы использовали плацебо (0,9% изотонический раствор NaCl). Интегральные методы исследования включали тесты на выживаемость, общее состояние и поведение животных, весовые характеристики, объем потребления воды и ректальную температуру.

Результаты токсикологических исследований показали отсутствие статистически значимой разницы между крысами контрольной и опытных групп исследования. Патоморфологическое исследование показало, что однократное внутрибрюшинное или внутримышечное введение вытяжки изучаемых перевязочных материалов к патологическим изменениям внутренних органов не ведет.

На третьем этапе проводили исследование реакции на местно-раздражающее действие вытяжек изучаемых ПС путем использования тестов кожной токсичности и острого раздражения глаз. Наблюдения показали, что ежедневные втирания вытяжек в выстриженные участки спинки животных изменений в их поведении, потери веса и снижении аппетита не вызывают. Опытные и контрольные участки кожи характеризовались одинаковой степенью эластичности и отсутствием признаков воспаления. Результаты офтальмологического исследования слизистой оболочки глаз экспериментальных крыс также свидетельствовали об отсутствии у вытяжек местно-раздражающего действия.

При изучении аллергизирующего действия подкожно вводили вытяжки разработанных средств, далее проводили анализ на серологическую диагностическую реакцию сыворотки крови. Анализ полученных результатов исследования показал, что у подопытных животных количество дегранулировавших тучных клеток не превышает 4,4 % при допустимом значении 15%. При взаимодействии вытяжек из образцов перевязочных материалов с эритроцитами крови крыс гемолитического действия не выявлено. Гемолиз эритроцитов в случае реакции с вытяжкой PLDA/ПВП/медь или серебро составляет не более 0,05% при допустимом значении показателя 2%.

Изучение цитотоксического действия вытяжек перевязочных средств осуществляли с использованием культуры клеток «Hela». Вытяжки ПС добавляли во

флаконы с клетками и инкубировали в термостате. О цитотоксическом действии экстрактов судили по изменению числа клеток в опытных группах по отношению к контрольной. Во всех случаях клетки характеризовались наличием активной пролиферативной способности, на поверхности питательной среды образовывали хорошо выраженные монослои без признаков некроза и дистрофии.

Таким образом, испытанные образцы на основе полилактида с лекарственными средствами по результатам токсикологических исследований не обладают местно-раздражающим, сенсибилизирующим, гемолитическим, цитотоксическим действиями и соответствуют требованиям, предъявляемым к изделиям, длительно контактирующим с поврежденной кожей. Показано, что покрытие без лекарственных компонентов обладает бактериостатическими свойствами, для достижения бактерицидного эффекта необходимо использование лекарственных наполнителей.

Таким образом, использование биологически активных биодеградируемых раневых покрытий при лечении экспериментальных ожоговых ран у крыс показало значительное сокращение сроков их лечения. Использование раневых покрытий, содержащих иммобилизованные ионы металлов, усиливает лечебный эффект и ускоряет процесс репарации ожоговых ран.

Основные результаты и выводы

1. Разработаны перевязочные средства (ПС) нового поколения из биосовместимых и биодеструктируемых волокнистых материалов, позволяющие создать оптимальную микросреду для заживления ран и обладающие направленным терапевтическим воздействием на всех стадиях раневого процесса. По совокупности функциональных свойств разработанные средства превосходят представленные на фармацевтическом рынке аналоги.

2. В соответствии с медицинскими, санитарно-гигиеническими и технологическими требованиями предложена двухслойная структура ПС, представляющая собой эластичный газопроницаемый каркас из волокон фторопласта-42 микронного размера, скрепленный с контактным слоем из биоразлагаемых микро-и нановолокон полилактида с лекарственными компонентами. Для изготовления волокнистого материала выбран метод электроформования из полимерных растворов.

3. В результате исследования реологических свойств полимерных растворов (зависимость вязкости от скорости сдвига, энергии активации вязкого течения, времен релаксации макромолекул) на основе фторопласта-42 различных марок в этилацетате и бутилацетате для внешнего защитного слоя ПС выбран Ф-42 «в».

4. Изучено влияние технологических параметров процесса электроформования

нетканого материала из Ф-42 «в» (вязкость и электропроводность раствора, электрическое напряжение, межэлектродное расстояние, объемный расход раствора) на структурные характеристики (средний диаметр волокон, пористость, наличие дефектов) и на производительность процесса. Определены устойчивые режимы электроформования волокнистого материала отвечающего функциональным требованиям защитного слоя ПС.

5. Исследованы реологические характеристики растворов на основе полилактидов РЬЭА и РЫ.А с добавкой поливинилпиролидона в этилацетате и хлороформе. Определены режимы устойчивого электроформования волокнистого материала контактного слоя с различными структурными свойствами.

6. Разработаны технологии иммобилизации лекарственных средств в контактном слое изделия: (1) посредством их предварительного введения в прядильный раствор, при этом обеспечивается пролонгированное высвобождение препарата вследствие равномерного распределения в объеме волокна; (2) посредством напыления на поверхность волокон в процессе электроформования, что позволяет резко повысить начальную концентрацию лекарств.

7. Исследованы гидродинамические, фильтрующие, механические и другие функциональные свойства разработанных материалов. Показано, что по отдельности они сопоставимы или превосходят дорогостоящие зарубежные аналоги этой категории ПС.

8. В соответствии с разработанными лабораторными технологическими регламентами получена опытная партия материалов для изготовления перевязочных средств в количестве 2 м2.

9. Проведены доклинические испытания на лабораторных животных и токсикологическая экспертиза разработанных ПС с лечебными компонентами: коллоидным серебром и медью. Установлено, что разработанные ПС на 20% сокращают сроки заживления ран благодаря ускорению регенеративно-восстановительных и купированию воспалительных процессов, а также высокой атравматичности изделия. Установлено, что разработанные ПС не оказывают на организм животных токсического действия.

Предполагается, что внедрение разработанных в диссертации перевязочных средств в клиническую практику приведет к сокращению количества осложнений при термических и механических травмах и, как следствие, к снижению уровня

смертности, а также уменьшению сроков реабилитации и объема восстановительного

лечения за счет снижения доз медикаментозных средств.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи в журналах, включенных в список ВАК

1. Луканина К.И. Получение сверхтонких волокон из фторопласта методом электроформования. Реологический анализ формовочных растворов / А. К. Будыка, К.И. Луканина, А.Д. Шепелев // Химические волокна. 2009. N 5. С. 21-24.

2. Луканина К.И. Получение сверхтонких волокон из L и D.L-изомеров полилактида методом электроформования / А. К. Будыка, К.И. Луканина, А.Д. Шепелев // Химические волокна. 2011.N5.C.8-13.

Материалы конференций

3. Budyka А.К., Shepelev A. D., Rykunov V. A., Lukanina К. I./ Water depuration by means of fibrous filter medium.// WFC-10. Leipzig, April 14-18, 2008. Congress proceedings. Vol.1. P. 553-556.

4. Луканина К.И., Шепелев А.Д. Использование материалов ФП в медицине// Шестые Петряновские Чтения (материалы конференции), ч. II. - Москва, НИФХИ, 2007. С.57.

5. Луканина К.И., Будыка А.К., Шепелев А.Д. Электроформование биоразлагаемых материалов на основе полилактида// Седьмые Петряновские Чтения (материалы конференции) - Москва, НИФХИ, 2009. С.21.

6. Луканина К.И., Шепелев А.Д. Исследование биоразлагаемых материалов на основе полилактида// Восьмые Петряновские Чтения (материалы конференции), ч. I. - Москва, НИФХИ, 2011. С.28.

7. Луканина К.И. Биоразлагаемые и биосовместимые перевязочные средства для ран и ожогов / К.И. Луканина, А.Д. Шепелев, Ф.Е.Шин// II международная конференция по физиологии и медицине, т.1, изд. Политехнического университета - Санкт-Петербург, 2011. С. 260-262.

Подписано в печать: 12.11.11

Объем: 1,0 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 769736 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского,39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Государственный научный центр Российской Федерации Федеральное государственное унитарное предприятие «Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт

им. Л.Я. Карпова»

04.2.0 1 1 6 7 7 9 0 -

На правах рукописи Луканина Ксения Игоревна

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ ПЕРЕВЯЗОЧНЫХ СРЕДСТВ ИЗ БИОДЕСТРУКТИРУЕМЫХ И БИОСОВМЕСТИМЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИЛАКТИДА

Специальность 05.11.17 Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д-р.физ.-мат.наук А.К.Будыка

Научный консультант: д-р.тех.наук Н.Е.Беняев

Москва 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список основных обозначений 5

Введение 8

Глава 1. Современные перевязочные средства и технология их 15 получения (обзор)

1.1 Основные виды биосовместимых медицинских изделий 15

1.2 Современные методы местного медикаментозного лечения 17 инфицированных ран

1.3 Классификация современных перевязочных средств 19

1.4 Биодеструктируемые полимеры 28

1.4.1 Пластические массы на основе природных полимеров 30

1.4.2 Синтетические материалы со свойствами биоразлагаемости 31 1.4.3 Полиэфиры гидроксикарбоновых кислот 31

1.5 Контактный слой из полилактида 32

1.6 Защитный слой из фторопласта 35

1.7 Формование волокнистых материалов 38

1.7.1 Электроформование 39

1.7.2 Волокнообразующие полимеры 42

1.7.3 Параметры, влияющие на процесс электроформования 44

1.7.4 Стадии разработки экспериментальных образцов 46

1.8 Заключение по первой главе 48 Глава 2. Получение защитного слоя перевязочного средства из 50 фторопласта - 42 марок «в» и «л»

2.1 Зависимость вязкости от концентрации раствора 51

2.2 Исследование реологических характеристик. Аномалия 54 вязкости при нагружении системы

2.3 Расчет энергии активации вязкого течения растворов Ф-42 61

2.4 Исследование режимов получения волокнистых материалов из 63 Ф-42

2.5 Исследование параметров процесса при добавлении 70 бутилацетата в раствор

2.6 Расчет скорости волокиообразования 71

2.7 Исследование размеров волокон. Сопоставление оптического и 73 гидродинамического диаметров

2.8 Физико-механические свойства материалов на основе Ф-42 75

2.9 Заключение по второй главе 79

Глава 3. Получение материала из полилактида L- и В,Ь-изомерных 81 форм

3.1 Зависимость вязкости от концентрации раствора 84

3.2 Исследование реологических свойств полилактида 85 Аномалия вязкости при нагружении системы

3.3 Исследование режимов получения волокнистых материалов на 90 основе полилактида

3.4 Физико-механические свойства материалов на основе 94 полилактида

3.5 Оценка фильтрующих свойств волокнистых материалов ПС 96

3.6 Исследование влаговпитываемости контактного слоя ПС 98

3.7 Введение терапевтических компонентов 102

3.8 Заключение по третьей главе 104 Глава 4. Проведение доклинических испытаний разработанных ПС 107

4.1 Характеристика исследуемых перевязочных материалов 107

4.2 Методы исследования 111

4.3 Оценка результатов лечения экспериментальных ожоговых ран 118 биодеградируемыми раневыми покрытиями

4.3.1. Особенности клинического течения и репаративных 118 процессов

4.3.2 Сравнительная оценка течения процессов репарации 121 ожоговых ран по данным морфологических исследований

4.3.3 Результаты токсикологических испытаний 127

биодеградируемых биологически активных перевязочных средств на основе ф-42/полилактид с добавкой коллоидных металлов. Результаты санитарно-химических испытаний

4.3.4 Изучение острой токсичности при внутрибрюшинном 127 введении вытяжек образцов ПС РЬА-ПВП-Си и PLA-ПBП-Ag

4.3.5 Изучение острой токсичности при внутримышечном 130 введении вытяжек образцов перевязочных средств РЬА-ПВП-

Си и РЬА-ПВП-Ав

4.3.6 Результаты изучения местно-раздражающего действия 132 вытяжек

4.3.7 Оценка аллергизирующего действия вытяжек 132

4.3.8 Гемолитическое действие вытяжки перевязочных средств 133 РЬА-ПВП-Си и РЬА-ПВП^

4.3.9 Изучение цитотоксического и мутагенного действий 133 вытяжек

4.4 Исследование антимикробной активности ПС 134

4.4 Заключение по четвертой главе 135

Заключение 136

Выводы 139

Список литературы 142

Приложение №1 Классы биополимеров и их применение 158

Приложение №2 Функциональные характеристики некоторых ПС 164 Приложение №3 Лабораторные технологические регламенты на 175

получение материалов ФПЛ-2,2 и ФПДЛ-2

Приложение №4 Акт об изготовлении опытной партии материалов 219 ФПЛ-2,2/ФПДЛ-2

Приложение №5 Протоколы лабораторных испытаний ПС. 220

Методы доклинических испытаний ПС

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

/? Плотность упаковки волокон материала, %;

У Скорость сдвига, с"1; АР Сопротивление потоку воздуха, Па;

3 Доверительные границы случайной погрешности;

Допустимая погрешность измерения относительной

<5е

деформации, %;

Допустимая погрешность измерения прочности при растяжении, %; Я Электропроводность полимерного раствора, См/см; Коз Средняя длина свободного пробега молекул воздуха, мкм; г], ц Динамическая вязкость, Па-с; цпр Приведенная вязкость; цр Вязкость раствора, Па-с; Цраст Вязкость растворителя, Па-с; ^эф Эффективная вязкость, Па-с;

Рп Плотность полимера, г/см3;

Рр Плотность раствора, г/см ;

Рраст Плотность растворителя, г/см3; т Напряжение сдвига, Па;

е Сдвиговая деформация;

Константа уравнения Аррениуса—Эйринга—1Френкеля,

А

зависящая от молекулярной массы полимера;

с« Весовая концентрация, моль/кг. Сп Массовая концентрация полимера, %;

Ср Массовая концентрация растворителя,%;

с1г Гидродинамический диаметр волокон, мкм;

с1ср Средний диаметр волокон, мкм;

<Зтах Максимальный диаметр волокон, мкм;

с1тт Минимальный диаметр волокон, мкм;

Еа Энергия активации вязкого течения, Дж/моль;

Еф Эффективность фильтрации, %;

^ Объемный расход полимерного раствора, см3/мин;

Спкп/тах Минимальный/максимальный объемный расход, см3/мин;

&опт Оптимальный объемный расход, см3/мин;

• Кп Число Кнудсена;

т Масса образцов волокнистого материала, г;

тв Масса увлажненного образца материала, г;

тед Масса единичной площади образца материала, г;

та Масса сухого образца материала, г;

М Молекулярная масса, кДа;

Ма Влаговпитываемость, %;

п Число измерений;

пк Количество капилляров на установке электроформования;

Ид Концентрация аэрозольных частиц до фильтра;

Ып Концентрация аэрозольных частиц после фильтра;

Р Коэффициент проскока, %;

Q Время релаксации макромолекул, с;

Я Универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К);

Время наблюдения за вязкостью растворов, дни;

tc Коэффициент Стьюдента;

Т Температура, К;

ТКип Температура кипения растворителя, °С;

Тпл Температура плавления, °С;

Тр Температура размягчения, °С;

V Скорость воздуха, м/с;

V Скорость волокнообразования, км/с; РЬА Полилактид;

РЬА-ПВП Полилактид с добавкой поливинилпиролидона;

РЬА-ПВП-Си Полилактид с добавкой поливинилпиролидона и ионов меди;

PLA-ПBП-Ag Полилактид с добавкой поливинилпиролидона и ионов серебра

РЬОА Полилактид 0,Ь-изомер;

РІХА Полилактид Ь-изомер;

ММ Молекулярная масса;

ПВП Поливинилпиролидон;

ПДК Предельная допустимая концентрация;

ПС Перевязочное средство;

Ф-42 Фторопл аст-42;

ВВЕДЕНИЕ

Рост масштабов последствий природных и техногенных катастроф, террористических актов, пожаров и других негативных факторов, сопровождающих современное общество, обусловливает необходимость поиска новых действенных средств оказания помощи пострадавшим в чрезвычайных ситуациях. По данным Минздрава России, в год число больных с раневыми и ожоговыми травмами составляет 57 человек на 1000 населения и занимает третье место по распространённости обращения пострадавших за медицинской помощью. При этом раневые инфекции занимают третье место в структуре всех нозокомиальных инфекций. Отсутствие высокоэффективных перевязочных средств или их высокая стоимость и малая доступность при восстановительном лечении термических или иных травм приводит к возникновению осложнений и, в конечном счете, к повышению уровня смертности пострадавших. Около 51,8% коечного фонда стационаров России принадлежит отделениям гнойной хирургии, где более 40% хирургических больных составляют пациенты с инфекционными осложнениями, что увеличивает сроки их госпитального лечения на 7-68 дней. Поэтому среди широкого спектра перевязочных средств (ПС) значительное место занимают раневые и ожоговые повязки, обладающие направленным воздействием и ускоряющие процессы регенерации поврежденных тканей за счет иммобилизованных в них лекарственных препаратов. Использование биологически активных ПС для комплексного лечения ран способствует снижению терапевтических доз препаратов и времени лечения при воспалительных процессах и кожных повреждениях, требующих общего медикаментозного лечения.

Несмотря на очевидную важность задачи создания ПС с направленным лечебным действием для клинической медицины, до сих пор не разработаны перевязочные материалы, отвечающие всем необходимым требованиям: (1) существующие средства либо имеют малый срок хранения и сложны в

изготовлении, например препараты дермы; (2) либо узкую специализацию — гемостатические, бактерицидные и другие; (3) либо недостаточную проницаемость для газов и паров воды, к ним относятся, например, пленочные покрытия. Существующие полифункциональные

комбинированные перевязочные средства имеют высокую стоимость и практически не представлены на российском фармацевтическом рынке. Потребность в современных, высокоэффективных и атравматичных ПС, обеспечивающих дозированную доставку лекарственных препаратов, вынуждает искать иные подходы при создании перевязочных материалов нового поколения.

Большинству требований, предъявляемых к раневым и ожоговым ПС, удовлетворяет микроволокнистая структура из биосовместимых и биодеструктируемых полимеров, содержащая медицинские препараты, высвобождаемые по мере ее контакта с раневой поверхностью. В настоящее время наиболее эффективным методом получения нетканых материалов из микро- и нановолокон является электроформование из полимерных растворов. Этот метод позволяет получать высокопористые материалы с уникальными фильтрующими свойствами. Кроме того, в зависимости от назначения изделия возможно получать материалы с равномерно или поверхностно распределенными в волокне наполнителями.

Дозированная доставка лекарственных средств подразумевает деструкцию матрицы, содержащей терапевтические компоненты. Одним из перспективных биополимеров, обладающих способностью к биоразложению, является нетоксичный и метаболически инертный полилактид аморфной (РЬЭА) и частично кристаллической (РЬЬА) форм. Деструкция перевязочного средства^ из полилактида обуславливает необходимость использования внешнего защитного слоя, который будет выполнять функцию каркаса изделия и исключит возможность попадания инфекции в область раны. Внешний слой должен быть гидрофобным, биологически

инертным, прочным и эластичным. Этим требованиям соответствует материал из фторполимера.

Таким образом, для создания ПС отвечающего требованиям полифункциональности, необходима разработка подходящей структуры перевязочного материала и технологии его получения. Вышесказанное невозможно без всестороннего исследования физико-химических, в том числе, реологических характеристик полимерных растворов и анализа влияния технологических параметров на эффективность процесса электроформования волокон и на свойства получаемых волокнистых структур. Таким образом, разработка доступного атравматичного перевязочного средства, позволяющего сократить сроки лечения и повысить эффективность оказываемых лечебных мероприятий, представляет собой актуальную научную проблему.

Цель работы — разработка научных и технологических основ создания полифункциональных перевязочных средств, обладающих дозированным высвобождением лекарственных препаратов из биодеструктируемых и биосовместимых волокнистых материалов для повышения эффективности местного лечения ран и ожогов.

Для достижения данной цели необходимо провести анализ полимерных систем, установить технологические режимы электроформования из растворов фторполимера и полилактида и решить следующие задачи:

1. Руководствуясь медицинскими, санитарно-гигиеническими и технологическими требованиями обосновать структуру и метод получения материалов из композиции полимеров для формирования перевязочного средства.

2. Разработать технологию получения перевязочных средств нового поколения на основе исследования реологических свойств растворов и параметров процесса электроформования.

3. Разработать технологические приемы введения лекарственных средств

в структуру материала контактного слоя изделия.

10

3. Исследовать физико-механические и эксплуатационные характеристики полученных образцов материала ПС.

4. Провести доклинические испытания готового разработанного изделия при моделировании ожоговых ран на подопытных животных. Выполнить морфологические и токсикологические исследования.

Научная новизна

1. Исследовано влияние реологических свойств растворов фторполимеров и полилактидов на процесс образования волокон в электростатическом поле с целью выбора полимеров с наилучшими волокнообразующими свойствами.

2. Установлены режимы получения нетканых материалов^ для ПС из биосовместимого фторполимера и биоразлагаемого полилактида с большей производительностью электроформования.

3. Предложена полимерная композиция из полилактида с 20% добавкой поливинилпиролидона для увеличения влаговпитываемости контактного слоя ПС до 1000%.

4. Предложены технологические приемы для получения волокнистых материалов из растворов на основе полилактида с иммобилизованными терапевтическими компонентами.

5. Показана безопасность и высокая лечебная эффективность разработанных ПС на основе токсикологической экспертизы, планиметрических и морфологических исследований ожоговых поверхностей у подопытных животных.

Практическая значимость

Результаты, изложенные в диссертационной работе, можно использовать

при разработке опытно-промышленной технологии производства ПС нового

поколения. Разработанное медицинское изделие предназначено для

применения в травматологии и медицине катастроф при оказании

эффективной помощи пострадавшим.

Производство разработанных перевязочных средств не потребует

принципиальной модернизации и переоснащения существующего

11

технологического оборудования, предназначенного для изготовления волокнистых материалов методом электроформования, которыми располагают ОАО ЭХМЗ (Электросталь), ЗАО Эсфил-техно (Силламяэ, Эстония), ЗАО Сорбент (Пермь) и др. Практическая значимость диссертационной работы подтверждена: (1)?положительным заключением об эффективности и не токсичности ПС, полученным после доклинических исследований на 420 лабораторных животных в Государственном центре перевязочных, шовных и полимерных материалов при ФГУ «Институт хирургии им. A.B. Вишневского» РАМН и «ГНИИ Военной медицины» МО РФ; (2) лабораторными технологическими регламентами на производство материалов для ПС на единичном модуле промышленного конвейера; (3) партией экспериментальных образцов материала в количестве 2 м~ на основе разработанной модели ПС.

Внедрение разработанных перевязочных средств позволит повысить эффективность оказания помощи при термических или механических травмах, сократить сроки реабилитации пострадавших, увеличить комфортность и атравматичность проводимых лечебных мероприятий, особенно в случаях обширных кожных повреждений.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1 .Структура и композиция лечебного перевязочного средства для ран и ожогов на основе полилактида и фторполимера позволяет создать оптимальную микросреду для заживления ран и обладает направленным терапевтическим воздействием на всех стадиях раневого процесса.

2.Полимерные системы на основе 0,Ь-полилактида в этилацетате обладают аномалией вязкости, которая увеличивается при добавлении поливинилпиролидона в раствор, что позволяет расширить границы устойчивости процесса электроформования.

3.Увеличение влаговпитываемости перевязочного средства до 1000% достигается за счет введения поливинилпиролидона в структуру волокон.

4.Технология получения нетканого материала из полилактида методом электроформования на основе систем PLD А/этил ацетат, PLLA/хлороформ позволяет получать биосовместимые материалы с различной скоростью деструкции.

5.Разработанная технология производства материалов с бактерицидной активностью по ,отношению к грамотрицательной и грамположительной микрофлоре позволяет получать перевязочные средства для дозированной доставки различных терапевтических компонентов к поврежденным поверхностям.

Апробация раб�