Ранозаживляющее и гемостатическое средство на основе хитозана и способ его получения

Изобретение относится к медицине и медицинской промышленности и может быть использовано для изготовления и применения ранозаживляющих и гемостатических средств на основе хитозана.

Известно медицинское изделие в виде многослойного материала с хитозановым слоем из нано/ультратонких волокон для воздушной и жидкостной фильтрации и сорбции радионуклидов [RU 2522216, С1, A61K 9/70, 10.07.2014], в котором хитозановый слой выполнен из растительного или из смеси растительного и животного хитозана.

Особенностями этого технического изделия является то, что, смесь растительного и животного хитозана в слое содержит растительный хитозан от 0,1 до 100 мас. % и животный хитозан от 0% до 99,9 мас. %.

Недостатком этого технического решения является относительно низкая эффективность применения.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является медицинское средство с использованием волокон на основе хитозана [RU 2487701, C1, A61K 9/08, A61K 31/722, A61L 15/28, А61Р 7/04, В28В 1/00, 20.07.2013], выполненное из многослойного гемостатического материала, по меньшей мере один слой которого получен способом с включением хитозановых волокон в виде пористой губки, причем, средство формируют в виде послойной структуры, в которой основной слой формируют непосредственно на токопроводящей подложке в качестве гемостатического слоя, он соприкасается, по меньшей мере, с защитным или одним из промежуточных слоев медицинского средства, защитный слой имеет отличную от основного слоя плотность и его формируют после основного слоя поверх основного или одного из промежуточных слоев, которые сформированы последовательно на подложке из нетканого токопроводящего материала нанесением различных полимерных слоев друг на друга, гемостатичность основного слоя обеспечена тем, что он выполнен из нановолокон хитозана методом электроформования, а гидрофобность, или сорбционная способность, или антибактериальная способность промежуточных слоев обеспечена получением их из нетканого материала на основе хитозана, полученного электропрядением или сублимационной сушкой, или методом полива на основу, или лиофильной сушкой соответственно, а защитный слой представляет собой нетканый материал, выполненный из синтетических или натуральных волокон, сформованных электропрядением, либо пленочный материал в виде синтетического полимера, при этом, для слоев медицинского изделия используют волокна хитозана диаметром от 45 до 180 нм.

Недостатком этого технического решения является относительно низкая эффективность применения и относительно высокая сложность.

Задачей изобретения является создание высокоэффективного ранозаживляющего и гемостатического средства на основе хитозана, обладающего биосовместимостью с тканями человека, отсутствием цитотоксичности, легкостью удаления с поверхности раны, не вызывая дополнительных повреждений, возможностью включения активных веществ из группы анестетиков, антисептиков и антибиотиков.

Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности применения в качестве ранозаживляющего и гемостатического средства.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, ранозаживляющее и гемостатическое средство на основе хитозана, выполненное из волокон хитозан, согласно изобретению, имеет форму сферических частиц с удельной поверхностью от 200 до 600 м²/г, пористостью от 95 до 99% с сочетанием мезопор 1-20 нм до 1-2 см³/г и макропор размером более 50 нм до 20-30 см³/г.

Предложенное средство характеризуется удельной площадью поверхности в диапазоне от 200 до 600 м²/г. Эта характеристика определяет сорбционную емкость конечного материала - чем она выше, тем больше сорбционная емкость. При этом, при значении удельной площадью поверхности меньше 200 м²/г не будет обеспечиваться повышение эффективности применения получаемого материала и он не будет отличаться от существующих аналогов, а материал с поверхностью больше 600 м²/г будет обладать неудовлетворительными для использования механическими характеристиками, что не позволит использовать его по назначению.

Кроме того, предложенное средство характеризуется пористостью в диапазоне от 95 до 99%. Эта характеристика также определяет сорбционную емкость конечного материала, но при значении меньше 95% не будет обеспечиваться повышение эффективности применения получаемого материала и он не будет отличаться от существующих аналогов, а получение материала с пористостью больше 99% не представляется возможным.

Дополнительно отметим, что в предложенное средство характеризуется сочетанием мезопор 1-20 нм до 1-2 см³/г (наличие в материале мезопор в указанном диапазоне определяет кинетику сорбции жидких компонентов крови, что определяется возникающим капиллярным эффектом, а указанный удельный объем таких пор позволяет получать материал высокой эффективности). При меньших значениях указанных диапазонов и при их превышении резко снижается эффективность применения средства.

Указанные выше мезопоры используются в сочетании с макропорами размером более 50 нм до 20-30 см³/г. Наличие в материале макропор позволяет значительно повысить эффективность материала по сорбции клеточных компонентов крови. При меньших значениях указанного диапазона и при его превышении резко снижается эффективность применения средства.

Известен также способ получения медицинских средств из волокон хитозана.

В частности, известен способ [RU 2009112743, С08В 37/08, 20.10.2010], согласно которому растворяют хитозан в водных растворах уксусной или другой органической кислоты с соотношением, которое обеспечивает течение раствора как ньютоновское.

Недостатком способа является относительно узкая область применения.

Известен также способ [RU 2408746, опубл. 10.01.2011, МПК D01F 8/00, D01F 8/02, D01F 8/04, A61L 17/00, A61L 15/32, D01F 4/00], в котором получают раствор хитозана в уксусной кислоте, для чего хитозан предварительно подвергают набуханию в воде и затем при перемешивании добавляют концентрированную уксусную кислоту.

Недостатком этого технического решения также является относительно узкая область применения.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ получения гемостатического материала из водно-кислотного раствора [RU 2487701, C1, A61K 9/08, A61K 31/722, A61L 15/28, А61Р 7/04, В28В 1/00, 20.07.2013], включающий электрохимическую обработку раствора хитозана в электрическом поле с токопроводящей подложкой из раствора для получения материала в виде пористой губки, состоящего из биополимера - хитозана, пластификатора и общего растворителя, причем, водно-кислотный раствор представляет собой полиэлектролитный комплекс хитозана и водорастворимого полимера, и обеспечивают при формовании методом сублимационной сушки или методом полива на основу или лиофильной сушкой соответственно получение материала в виде пористой губки, собранного на подложке, за счет применения вязкотекучего раствора, состоящего из следующих компонентов в соотношении от общего количества раствора, мас. %: сухой хитозан со степенью деацетилирования - не менее 80% - 4-8 по сухому веществу, водный раствор полимера или смеси полимеров: 1-10 по сухому веществу, водный раствор органической кислоты или смесь органических кислот в концентрации 50-80% - остальное, и имеющего характеристики раствора: вязкость от 1,4 Па⋅с до 3,0 Па⋅с, электропроводность от 1,4 мСм/см до 2,45 мСм/см и поверхностное натяжение от 31 мН/м до 36 мН/м.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно высокая сложность и относительно узкая область применения, не позволяющая получать высокоэффективное ранозаживляющее и гемостатическое средство на основе хитозана.

Задача, которая решается в изобретении, состоит в разработке способа, являющимся относительно простым по отношению к известным, обладающим более широкой областью применения и позволяющим получать высокоэффективное ранозаживляющее и гемостатическое средство на основе хитозана. Это позволяет расширить арсенал технических средств как для лечения ран и кровотечений, так и способов их получения.

Требуемый технический результат относительно способа заключается в расширении технических средств, используемых для получения ранозаживляющих и гемостатических средств на основе хитозана с одновременным упрощением способа и расширением области его применения путем обеспечения получения высокоэффективных ранозаживляющих и гемостатических средств.

1. Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в способе, заключающемся в том, что, навеску сухого высокомолекулярного хитозана растворяют в 0,1-0,2 М растворе уксусной кислоты при постоянном перемешивании до получения однородного раствора хитозана в уксусной кислоте, готовят раствор сшивающего агента в виде концентрированного раствора щелочи, вводят в виде капель раствор хитозана в уксусной кислоте в концентрированный раствор щелочи и сформировавшиеся в результате этого частицы выдерживают в концентрированном растворе щелочи 24 часа, после чего их многократно промывают дистиллированной водой до рН среды, равной 7-8, и заменяют воду на растворитель в несколько стадий, на каждой из которых частицы помещают в смесь «вода-спирт» и выдерживаются в течение 3-4 часов и последовательно на каждой следующей стадии концентрацию спирта в смеси увеличивают с шагом 30-60-90-100% масс, причем последний шаг повторяется дважды, и окончательно проводят сверхкритическую сушку в течение 6 часов при температуре 40°С, давлении в интервале от 120 до 140 атм и расходе диоксида углерода 0.2 кг/ч.

Использование диапазона 0,1-0,2 М относительно раствора уксусной кислоты оказалось оптимальным, поскольку при значениях ниже 0,1 М резко увеличивается необходимое время получения однородного раствора хитозана в уксусной кислоте, а при превышении указанного диапазона выше 0,2 М резко ухудшается качество раствора, в частности, его однородности.

Промывка дистиллированной водой до рН среды в диапазоне 7-8, обеспечивает эффективное проведение следующей операции. Указанный диапазон необходим, чтобы рН конечного материала при попадании на раневую поверхность был близок к нейтральному. Кроме того, отличное от указанных значений рН вызывает изменение конечных структурных характеристик материала. Достижение меньших рН является излишним, а превышение указанного диапазона рН, с одной стороны, нежелательно ввиду применения конечного материала в качестве медицинского изделия, а с другой стороны это вызывает ухудшения структурных характеристик материала.

Применение пошаговой замены растворителя (с шагом 30-60-90-100% масс) позволяет значительно снизить усадку материала и сохранить высокие значения его удельной поверхности и пористости.

Последний шаг повторяют дважды, и окончательно проводят сверхкритическую сушку в течение 6 часов при температуре 40°С, давлении в интервале от 120 до 140 атм и расходе диоксида углерода 0.2 кг/ч.

Важно отметить, что использование сверхкритической сушки позволяет сохранить исходную внутреннюю структуру частиц без каких-либо изменений. Это связано с тем, что в ходе указанного процесса в пористых частицах не возникает границы раздела фаз, как при использовании тепловой сушки, не формируются кристаллы, как при использовании сублимационной сушки, а происходит диффузионное замещение растворителя внутри частиц на диоксид углерода в сверхкритическом состоянии.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, для приготовления концентрированного раствора щелочи используют NaOH - 4,0-5,0 М раствор.

Указанные пределы по концентрации позволяют получать наиболее эффективное сочетание между конечной площадью поверхностью и пористостью материала. При использовании раствора с меньшими значениями и с большими указанного диапазона дают существенно худшие результаты.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве растворителя используют изопропиловый спирт.

На чертеже представлены:

на фиг. 1 - ранозаживляющее и гемостатическое средство на основе хитозана в форме сферических частиц;

на фиг. 2 - снимки сканирующей электронной микроскопии;

на фиг. 3 - сферические частицы для прямого нанесения на раневую поверхность;

на фиг. 4 - сферические частицы для использования в составе аппликатора по принципу «заполненный шприц»;

на фиг. 5 - функциональная схема установки, реализующий предложенный способ.

Установка, реализующая предложенный способ (фиг. 5), содержит:

1 - первую приемную емкость с перемешивающим устройством;

2 - перистальтический насос;

3 - форсунку;

4 - вторую приемная емкость с перемешивающим устройством;

5 - воздушный фильтр;

6 - компрессор;

7 - расходомер вихревой;

8 - контроллер;

9 - третью приемная емкость с перемешивающим устройством.

Реализуется предложенный способ получения ранозаживляющего и гемостатического средства на основе хитозана и его применение следующим образом.

Основная стадия процесса получения ранозаживляющего и гемостатического средства на основе хитозана в форме частиц - приготовление исходного раствора с последующим гелированием при помощи сшивающего агента. Гелеобразование может быть вызвано как химическими факторами, так и физическими (температура, рН среды). После формирования геля необходимо провести замену исходного растворителя, который находится внутри пористой структуры геля на соответствующий растворитель, который должен растворяться в среде сверхкритического флюида. Как правило, это различные спирты (этиловый, изопропиловый). Заключительный шаг - сушка в среде сверхкритического флюида (в большинстве случаев это диоксид углерода).

Для получения частиц аэрогеля на основе хитозана используется капельный способ. Суть способа заключается в введении исходного раствора по каплям в раствор, содержащий сшивающий агент. После попадания капель в раствор, начинается процесс гелеобразования. После формирования частиц геля, необходимо выдержать образовавшиеся частицы в растворе со сшивающим агентом в течение 24 ч для того, чтобы все химические реакции прошли до конца и не осталось не прореагировавших групп. Затем проводится пошаговая замена исходного растворителя на соответствующий спирт. Заключительным этапом является процесс сверхкритической сушки. К преимуществам предложенного способа можно отнести отсутствие дополнительных стадий, таких как отделение от масла, поскольку, как правило, для получения частиц используется масляно-эмульсионный способ.

Возможно проводить процесс получения частиц геля с использованием распылительных форсунок различного типа. Данный процесс аналогичен капельному методу получения частиц, только в данном случае, вместо капающего устройства может быть использована форсунка того или иного типа. Преимуществом использование различных пневматических форсунок является возможность перехода на полупромышленный и промышленный уровни для получения частиц аэрогеля в большом объеме.

Процесс получения частиц геля при использовании капельного метода состоит из двух этапов: формирование капель исходного раствора с использованием различных способов диспергирования и гелеобразование, которое происходит, когда капли попадают в жидкость, содержащую растворенный сшивающий агент. Гелеобразование происходит за счет того, что сшивающий агент диффундирует в капли и происходит полимерная сшивка. Размер формируемых частиц геля, в первую очередь, зависит от способа диспергирования и его параметров. Кроме того, значительное влияние могут оказывать концентрации исходного раствора и сшивающего агента.

Получение частиц геля на основе хитозана с использованием данного метода включает в себя следующие стадии: приготовление исходных растворов (раствор хитозана в кислоте и раствор щелочи); диспергирование раствора хитозана в раствор с щелочью для формирования частиц геля, промывка частиц от щелочи дистиллированной водой, пошаговая замена водного растворителя на изопропиловый спирт, сверхкритическая сушка.

Основные стадии процесса с использованием поршневого насоса и прокапывании раствора хитозана через иглу.

1. Приготовление раствора хитозана. Навеску сухого хитозана (высокомолекулярного) растворяют в 0,1-0,2 М. Указанные пределы обеспечивают наибольшую растворимость используемого при получении материала хитозана в растворе уксусной кислоты при постоянном перемешивании, до получения однородного раствора. Концентрация раствора варьируется от 0,5 до 3 масс %. Указанные пределы по концентрации задают конечную пористость материала от 95 до 99%. Использование концентрации меньше 0,5 масс % не позволяет получить стабильный материал, а концентрации больше 3 масс %, с одной стороны, значительно снижет конечную пористость, а, с другой стороны, усложняет технологию получения частиц в связи со значительным увеличением вязкости раствора.

2. Готовят раствор сшивающего агента, который представляет собой концентрированный раствор щелочи. Как правило, это NaOH, но можно и другие щелочи. Для NaOH - это 4,0-5,0 М раствор. Указанные пределы по концентрации позволяют получать наиболее эффективное сочетание между конечной площадью поверхностью и пористостью материала.

3. С использованием поршневого насоса прокапывают раствор хитозана через иглу при постоянном перемешивании в раствор щелочи. Расход подбирается в зависимости от вязкости раствора хитозана.

4. Сформировавшиеся частицы выдерживают в растворе щелочи 24 часа, чтобы прошли необходимые химические реакции.

5. Далее частицы многократно промывают дистиллированной водой, пока рН среды не достигнет показателя 7-8.

6. Замена воды на соответствующий растворитель (в данном случае использовался изопропиловый спирт) проводится в несколько стадий. На каждой из них частицы помещаются в смесь «вода-спирт» и выдерживаются в течение 3-4 ч. На каждой следующей стадии концентрацию спирта в смеси увеличивают с шагом 30-60-90-100% масс. Применение пошаговой замены растворителя позволяет значительно снизить усадку материала и сохранить высокие значения его удельной поверхности и пористости. Причем, последний шаг повторяется дважды.

7. Заключительная стадия процесса - сверхкритическая сушка, которая проводится при температуре 40°С, давлении в пределах от 120 до 140 атм (при меньших давлениях время сушки существенно увеличивается, а при больших не возникает положительных эффектов, но увеличиваются энергетические потери), и расходе диоксида углерода 0.2 кг/ч. Время сушки 6 часов. Важно отметить, что только использование сверхкритической сушки позволяет сохранить исходную внутреннюю структуру частиц без каких-либо изменений. Это связано с тем, что в ходе указанного процесса в пористых частицах не возникает границы раздела фаз, как при использовании тепловой сушки, не формируются кристаллы, как при использовании сублимационной сушки, а происходит диффузионное замещение растворителя внутри частиц на диоксид углерода в сверхкритическом состоянии.

Если раствор хитозана распыляется через форсунку в раствор щелочи, то такое распыление позволяет получать частицы с узким распределением по размеру.

Основные стадии процесса с распылением через форсунку.

1. Приготовление раствора хитозана. Навеску сухого хитозана (высокомолекулярного) растворяют в 0,1-0,2 М растворе уксусной кислоты при постоянном перемешивании, до получения однородного раствора.

2. Готовят раствор сшивающего агента, который представляет собой концентрированный раствор щелочи (как правило, это NaOH, но можно и другие). Для NaOH - это 4,0-5,0 М раствор.

3. С использованием распылительной форсунки начинается подача раствора хитозана в раствор щелочи. Расход жидкости в ходе каждого эксперимента подбирается так, чтобы получить стабильный факел распыла, что обеспечивает равномерное формирование капель в растворе.

4. Сформировавшиеся частицы выдерживают в растворе щелочи 24 часа, чтобы прошли необходимые химические реакции.

5. Далее частицы многократно промывают дистиллированной водой, пока рН среды не достигнет показателя 7-8.

6. Замена воды на соответствующий растворитель (в данной работе использовался изопропиловый спирт) проводится в несколько стадий. На каждой из них частицы помещаются в смесь «вода-спирт» и выдерживаются в течение 3-4 ч. На каждой следующей стадии концентрацию спирта в смеси увеличивают с шагом 30-60-90-100% масс, причем последний шаг повторяется дважды.

7. Заключительная стадия процесса - сверхкритическая сушка, которая проводится при температуре 40°С, давлении в пределах от 120 до 140 атм, расходе диоксида углерода 0.2 кг/ч. Время сушки 6 часов.

При использовании установки (фиг. 5) предложенный способ реализуется следующим образом.

Раствор хитозана в уксусной кислоте готовится в первой приемной емкости 1 путем длительного перемешивания до полного растворения. Для приготовления раствора сшивающего агента (концентрированный раствор NaOH) необходимое количество воды и сухого NaOH смешиваются в отдельной емкости и полученный раствор загружается в приемную емкость

4. После загрузки раствора на емкость устанавливается крышка, с встроенной пневматической форсункой 3. К форсунке подсоединяются линии подачи раствора хитозана из приемной емкости 1 и воздуха из системы воздухоподготовки. Подача раствора хитозана из приемной емкости 1 в форсунку осуществляется с помощью перистальтического насоса 2. Система воздухоподготовки состоит из воздушного фильтра 5, компрессора 6, с помощью датчика давления, вихревого расходомера 7 и контроллера 8 осуществляется индикация, регулирование и контроль создаваемого избыточного давления и расхода воздуха. Для начала процесса распыления включается подача воздуха на форсунку и устанавливается необходимый расход. Затем включается перистальтический насос 2 для подачи исходного раствора хитозана в форсунку. Расход жидкости в ходе каждого эксперимента подбирается так, чтобы получить стабильный факел распыла.

При попадании капель в раствор, происходит гелеобразование и формирование частиц геля. Для предотвращения агломерации получаемых частиц во второй приемной емкости 4 организовано перемешивание с использованием лопастной мешалки. После выработки всего раствора хитозана смесь частиц в растворе щелочи переносится из второй приемной емкости 4 в третью приемную емкость 10. Смесь при медленном перемешивании выдерживается в ней в течение 24 ч, чтобы протекающие химические реакции прошли в полном объеме.

Далее частицы отмывают водой, проводят пошаговую замену растворителя и сушат в среде сверхкритического диоксида углерода.

Результаты азотной порометрии частиц аэрогеля на основе хитозана:

- площадь удельной поверхности (определенная методом BET): 200-600 м²/г;

- средний диаметр мезопор (определенный методом BJH): 1-20 нм;

- объем мезопор (определенный методом BJH): 1-2 см³/г.

Результаты определения пористости путем пересчета результатов гелиевой пикнометрии и плотности частиц: 95-99%.

Результат определения объема макропор: 20-30 см³/г.

Результаты определения сорбционной емкости (по воде): 25 г/г.

Результаты определения сорбционной емкости (по крови): 20 г/г.

Отличительной особенностью предложенного способа и реализующего его установки является то, что, для минимизации времени процесса и уменьшения усадки геля, обеспечивается совмещение процессов гелеобразования, замены растворителя и сушки таким образом, чтобы вышеперечисленные процессы проходили в устройстве высокого давления, что позволит сразу перейти к процессу сверхкритической сушки.

Стадия замены растворителя является очень затратной с точки зрения времени, поскольку принципиально важно провести замену в несколько шагов, чтобы минимизировать усадку образцов. Но данная стадия необходима так как вода, которая часто используется в роли растворителя на стадии гелеобразования, и диоксид углерода ограниченно смешиваются друг с другом. Стадия замены растворителя также может быть проведена под давлением в среде диоксида углерода, что позволит реализовать совмещение всех основных стадий процесса получения аэрогелей в одной установке. Это позволяет сократить время процесса не менее, чем в 5 раз по сравнению с известными способами и обеспечить ресурсо- и энергосбережение, снизить капитальные затраты на создание производственных линий.

Полученное ранозаживляющее и гемостатическое средство на основе хитозана обладает следующими характеристиками, отличающими его по эффективности применения относительно аналогичных средств.

Удельная площадь поверхности достигает 600 м²/г (выше чем у аналогов), что положительно сказывается как на кинетике адсорбции компонентов крови, так и на предельных значениях сорбционной емкости, пористость частиц аэрогеля на основе хитозана достигает 99%, что значительно увеличивает сорбционную емкость материала по компонентам крови, сорбционная емкость материала по крови достигает 20 г/г, полученное средство обладает сложной внутренней структурой, которая представляет собой сочетание мезопор, размером 1-20 нм (до 1-2 см³/г), и макропор, размером более 50 нм (до 20-30 см³/г). Благодаря этому происходит интенсивная сорбция крупных компонентов крови (эритроцитов, лейкоцитов) макропорами и сорбция жидкости мезопорами.

Кроме того, средство получено без использования химической сшивки и, по своей сути, процесс получения геля хитозана заключается в осаждении его из раствора. При этом полимерные цепочки хитозана сохраняют свой изначальный избыточный заряд, что положительно сказывается на адгезии крупных компонентов крови на внутреннюю поверхность материала. Кроме того, присутствие указанного заряда ускоряет наступление гемостатического эффекта.

Предлагаемый способ получения средства позволяет получать частицы сферической формы, близкой к идеальной. Коэффициент формы (отношение фактического диаметра к эквивалентному) равен 1,5-2. Указанное свойство позволяет получать наименьшую порозность слоя частиц, помещаемых в рану, что, в свою очередь, увеличивает эффективность действия медицинского средства.

В частицы сферической формы (в поры) могут быть внедрены различные активные вещества, например, для ускорения остановки кровотечения, антимикробного действия и обезболивающего действия.

Предлагаемое средство обладает высокой биосовместимостью и биоразлагаемостью. В течение 24 часов после размещения в ране начинается естественный процесс биодеградации хитозана. Практически отсутствуют аллергические реакции при применении.

Частицы на основе хитозана действуют по принципу сорбции и не вызывают термические ожоги и иные нежелательные воздействия. Они могут быть использованы и самостоятельно и в составе аппликатора по принципу «заполненный шприц». Они обеспечивают полное «закрытие» раны, в том числе, и для массивных венозных и артериальных кровотечений, не вызывая образование тромбов, и оказывают гемостатический эффект при отрицательных температурах. Частицы устойчивы к радиационному воздействию.

Таким образом, в изобретении достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении эффективности применения в качестве ранозаживляющего и гемостатического средства и в расширении технических средств, используемых для получения ранозаживляющих и гемостатических средств на основе хитозана с одновременным упрощением способа и расширением области его применения путем обеспечения получения высокоэффективных ранозаживляющих и гемостатических средств.