Архангельские ученые ищут новые пути применения биополимеров

Рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории химии растительных биополимеров Института экологических проблем Севера ФИЦКИА УрО РАН Ольга БРОВКО.

– Ольга Степановна, под вашим руководством коллектив сотрудников лаборатории занимается изучением биополимеров. А что собой представляют эти вещества?

– Биополимеры – высокомолекулярные соединения, извлекаемые из различных природных источников, живых организмов. Сам по себе полимер – это сложное соединение, обладающее высокой молекулярной массой. Большая молекула биополимера состоит из звеньев-мономеров – низкомолекулярных веществ (аминокислот, нуклеотидов, моносахаридов и других).

Такие соединения содержатся практически в любом растительном объекте и обладают очень ценными биологическими свойствами: биосовместимостью с тканями человека и животных, и биоразлагаемостью – после использования биополимеры растворяются без остатка. Благодаря этим свойствам они широко применяются в биомедицине.

Самый распространенный в природе биополимер – целлюлоза. Она содержится в коре и древесине деревьев, в стеблях растений и даже некоторых бактериях. Кроме известной всем целлюлозы, в древесине также содержится биополимер лигнин.

Особый интерес представляют морские биополимеры. Зачастую по биологической и фармакологической активности они превосходят соединения, выделенные из наземных растений. Это, в первую очередь, относится к биополимеру альгинату, который выделяется из морских бурых водорослей и очень широко применяется в биомедицине, косметологии и пищевой промышленности. Примерный годовой объем производства альгинатов в мире составляет порядка 40 тысяч тонн.

Веществом XXI называют хитозан. Такое название обусловлено широким спектром его применения – более чем в 70 направлениях: от косметологии до сельского хозяйства. Но особенно ценным хитозан считается в медицине благодаря способности усиливать регенеративные процессы при заживлении ран. Его получают из хитина – основного компонента панцирей ракообразных: крабов, креветок, омаров. Этот полимер придает организмам прочность. Также хитин содержится и в растительных объектах – лишайниках и грибах.

– Интересно, в каких грибах содержится хитин?

– Практически во всех видах грибов, включая съедобные и древесные.

– А в чем еще заключаются полезные свойства биополимеров?

– Биополимеры содержат большое количество реакционно-способных функциональных групп – гидроксильных, карбоксильных, карбонильных, аминогрупп и других, благодаря чему они способны к химической модификации путем различных прививок или комплексообразования. Такая модификация позволяет придать биополимерам необходимые ценные в практическом отношении свойства: поверхно-активные, гелеобразующие, гидрофобные и др. При взаимодействии между двумя биополимерами образуются так называемые поликомплексы, которые сохраняют свойства исходных компонентов, приобретая при этом новые, что приводит к повышению функциональности и расширению свойств материалов.

Мы получаем биополимерные комплексы на основе альгината натрия и хитозана. Они не обладают антигенностью и аллергенностью; стимулируют процессы заживления ран, благодаря таким свойствам, как биосовместимость, биологическая активность, сродство к тканям живых организмов, способность к биологическому разложению и низкая токсичность. Кроме того, оба полисахарида являются пролекарствами и имеют разрешение на использование в медицине.

Совмещая эти биополимеры в одном материале, используя при этом различные методы и подходы, можно изменить свойства целевого продукта. В зависимости от условий синтеза комплексы альгинат-хитозан могут быть получены в виде гелей, капсул, пленок или высокопористых материалов – аэрогелей.

– А что такое аэрогель?

– Аэрогель – уникальный материал. Его называют еще «замороженный дым» или «твёрдый газ». Он представляет собой гель, объемную трехмерную структуру, жидкая фаза в которой заменена воздухом. Благодаря такой структуре аэрогель обладает рядом уникальных свойств: высокая пористость, низкая плотность и низкая теплопроводность.

Для получения такой развитой структуры очень важно подобрать условия сушки нашего поликомплекса. Если сушить его в обычных условиях при атмосферном давлении, то в порах возникают капиллярные силы, которые приводят к схлопыванию пор и потере объемной структуры.

Поэтому для создания аэрогелей обычно используют сушку в среде сверхкритического флюида. Это такое особое состояния вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Оно достигается только когда температура и давление находятся выше критической точки.

Благодаря развитой пористой структуре и высокой биосовместимости аэрогели на основе комплекса альгинат-хитозан могут использоваться в качестве матриц-носителей активных веществ – лекарственных соединений, биополимеров, соединений металлов и других – для доставки препарата к органу-мишени.

В своей работе на основе альгинат-хитозановых аэрогелей мы создаем новые носители лекарственных препаратов, для чего полученные полимерные матрицы насыщаем лекарственными или биологически активными веществами. При введении в организм такого носителя происходит длительное выделение лекарственного вещества из его матрицы. Оно выделяется не сразу – залпом, а выходит постепенно в малых дозах. Такой подход позволяет регулировать скорость высвобождения лекарственного вещества, избежать передозировки, а также длительное время поддерживать необходимую терапевтическую дозу.

– Каким образом происходит воздействие на организм?

– Например, при использовании альгинат-хитозановых аэрогелей с включенным в матрицу антисептиком фурацилином в качестве раневого покрытия, лекарственный препарат поступает в рану не одномоментно, а постепенно. Поддерживающее терапевтическое действие полученной нами повязки сохраняется в течение пяти часов, обеспечивая тем самым пролонгированное действие.

Разработанные нами комплексные системы могут применяться также для адресной доставки лекарственного вещества к нездоровым внутренним органам. Комплекс разрушается только при определенном значении кислотности (pH). Это значит, что правильно подобранный комплекс будет разрушаться только там, где находится больной орган, высвобождая при этом лекарственное вещество.

Кроме того, альгинат-хитозановые аэрогели обладают высокими сорбционными свойствами, благодаря чему могут использоваться в качестве сорбентов и энтеросорбентов, то есть они способны связывать и извлекать токсичные вещества из организма человека или животного.

– Лаборатория занимается разработкой сорбентов и энтеросорбентов, раневых повязок. А сырьё сами добываете?

– Мы ищем новые пути применения биополимеров и пользуемся готовым сырьем. Альгинат производит ООО «Архангельский водорослевый комбинат», а хитозан – подмосковное предприятие ЗАО «Биопрогресс».

При этом для получения материалов мы используем наши региональные биоресурсы. Альгинат – из добываемых в Белом море бурых водорослей. Хитозан также может быть получен из акклиматизированного в Баренцевом море краба. Это наше приарктическое сырьё.

Наш этап работы связан с получением самого полифункционального материала, оценкой его свойств, разработкой рекомендаций по применению в медицине и фармакологии. Мы изучаем потребительские свойства материалов и моделируем среды, в которых они будут использоваться.

 – А о каких средах идет речь?

– Среда внутренних органов (например, желудка) и раневых поверхностей. Мы показываем на примерах моделей, как будет работать созданный материал. Следующий этап – доклинические и клинические испытания, которые можно провести только вместе со специалистами медицинского профиля.

– Какие интересные тенденции были замечены при изучении аэрогелей на основе биополимеров?

– Мы убедились, что условия получения комплекса и его последующей сверхкритической сушки влияют на структуру и пористость полученных нами аэрогелей, что позволяет направленно регулировать свойства материалов для тех или иных целей. Полученные альгинат-хитозановые аэрогели обладают высокой удельной поверхностью (400 м²/г) и большим объемом открытых мезопор (1,83 см³/г), что обеспечивает необходимую для заживления ран среду, паро- и воздухопроницаемость.

Кроме того, эти материалы способны удерживать значительное количество жидкости при сохранении формы: 1 г материала удерживает до 40 г жидкости. Это важный фактор в случае использования материала в качестве раневого покрытия, поскольку именно сорбционные свойства в значительной степени обеспечивают эффективность перевязочного материала, особенно, когда надо поглотить значительный объем остаточной влаги для осушения ран.

Бывает, в ранах выделяется значительное количество жидкости (экссудат), мешающее заживлению. Разработанная нами повязка способна впитывать в себя значительный объём жидкости, и при этом она сохраняет свою форму.

Особенность многих наших материалов заключается в том, что они предназначаются как для внешнего применения (повязки), так и для внутреннего (энтеросорбенты).

– Обладает ли наше северное сырьё какими-то уникальными особенностями?

– Руководитель нашего института Константин Григорьевич Боголицын также занимается исследованиями водорослей в лабораториях САФУ. Его коллектив в университете установил, что арктические водоросли обладают особенными свойствами, устойчивостью, а также характеризуются высоким содержанием ценных биологически активных веществ, таких как полифенолы, пигменты, альгиновые кислоты, маннит и другие компоненты.

Это в первую очередь связано с тем, что произрастающие в холодных морях водоросли приспосабливаются к условиям окружающей среды и синтезируют в своей структуре больше полезных веществ (антиоксидантов), чем аналогичные водоросли в южных морях.

Вадим Рыкусов
Фото: Юлия Колосова