Способ получения макропористой пленки для регенеративной медицины на основе L-цистеина, нитрата серебра и поливинилового спирта
METHOD FOR PRODUCING MACROPOROUS MEMBRANE FOR REGENERATIVE MEDICINE BASED ON L-CYSTEINE, SILVER NITRATE AND POLYVINYL ALCOHOL

Изобретение относится к получению набухающих в воде макропористых пленок на основе L-цистеина, нитрата серебра и поливинилового спирта – ПВС, пригодных для применения в целях регенеративной медицины.
Для того чтобы пленочный материал можно было использовать в целях регенеративной медицины - лечение ран, ожогов, трофических язв, перед проведением аутодермопластики, он должен обладать следующими необходимыми характеристиками: биосовместимостью, хорошей адгезией к раневой поверхности, пористостью, обеспечивающей возможность закрепления активных агентов, антибактериальными свойствами, биорезорбируемостью, эластичностью и достаточной механической прочностью.
Этим свойствам во многом соответствует ПВС – водорастворимый полимер, способный образовывать набухающую в воде пленку, вещество «дружественное» организму человека. Так известно использование пленок ПВС для инкапсулирования лекарств Lucy S.C. Wan, L. Y. Lim // Drug Development and Industrial Pharmacy. 2008. V.18. P.1895. Кроме того, пленки ПВС используются в ортопедии Maribel I. Baker, Steven P. Walsh, Zvi Schwartz, Barbara D. Boyan // J. Biomed. Mater. Res. B. 2012. V.100. P.1451. На основе ПВС и аминокислот создают пленочные композиты пригодные для использования в ортопедических целях S. Mohanapriya, V. Raj // Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2018. V.1. P.70. Известны и антибактериальные пленочные материалы на основе ПВС и серебра A.L.Potapov, O.A.Daineko, N.A.Ivanova, V.Е.Agabeko, Mohammed Bin-Hussain // Applied Surface Science. 2015. V.350. P.121.
Известен способ получения пленки медицинского назначения на основе поливинилового спирта RU 2499012, опубл. 20.11.2013, включающий смешение водных растворов поливинилового спирта различной степени омыления и наполнителя в виде нанотел - фуллеренов и нанотрубок.
Известен способ получения водорастворимых пленок из нетканых полотен RU 2607747, опубл. 10.01.2017, включающий стадии изготовления многофиламентного нетканого полотна, растворимого в полярном растворителе; и стадию преобразования его в пленку активным агентом.
Недостатком известных пленок являются отсутствие пористости и водорастворимость.
Известен способ получения пористой пленки поливинилового спирта RU 2543895, опубл. 10.03.2015, включающий получение модифицированного поливинилового спирта, содержащего в боковых цепях ненасыщенные радикалы, полимеризацией при 0-250 °C в растворе или при спекании порошка полимера при 100-180 °C.
Недостатками являются особенности известного способа: проведение полимеризации при высоких температурах для получения прекурсора – модифицированного ПВС, введение сшивающего агента – амина или кислоты на стадии получения пористой пленки, что существенно повышает токсичность получаемого материала.
Известен способ получения водостойкой пленки на основе поливинилового спирта RU 2256674, опубл. 20.07.2005, включающий нагрев указанной пленки до 100-150 °С при воздействии на нее микроволнового облучения в течение 5-10 мин.
Недостатком известного способа является использование высоких температур и микроволнового излучения, а также непористость пленки.
Известен способ получения набухающей в воде пленки на основе криогеля поливинилового спирта Евразийский патент № 018466, опубл. 18.03.2010, включающий замораживание водного раствора сополимера винилового спирта при температуре в диапазоне от 0 до приблизительно - 196 °С для получения формованной массы и оттаивание формованной массы с образованием криогеля.
о
Недостатками известного способа являются: наличие в структуре прекурсора – сополимера ПВС побочных мономерных звеньев, а также низкая степень омыления 90 %, что повышает токсичность конечного материала; высокая начальная концентрация ПВС около 10% для получения криогеля и пленки, понижает степень пористости материала, чем ограничивает его использование; сложность аппаратурного оформления и высокая энергозатратность способа, при осуществлении его реализации в широком диапазоне температур криозаморозки от 0 до -196 С.
Исследованием уровня техники установлено отсутствие способов получения макропористой пленки для регенеративной медицины на основе поливинилового спирта.
Для получения пленочного материала, отвечающего требованиям, предъявляемым для использования в целях регенеративной медицины, признано необходимым использование структурообразователя медицинского назначения, в качестве которого в заявляемом способе предлагается использовать гидрогели на основе L-цистеина и солей серебра.
о
+
+
2+
2+
2+
2+
Наиболее близким к заявляемому способу аналогом является способ получения супрамолекулярного геля на основе L-цистеина, нитрата серебра и поливинилового спирта RU 2709181, опубл. 18.12.2019, включающий смешение водного раствора L-цистеина с водным раствором нитрата серебра так, чтобы концентрация L-цистеина в смеси составляла от 1,5 до 4,5 мМ, а отношение молярных концентраций нитрата серебра к L-цистеину в смеси находилось в диапазоне от 1,25 до 1,30, где далее смесь оставляют в защищенном от света месте при температуре 18-28С на 4-12 часов для формирования L-цистеин-серебряного раствора, затем последовательно смешивают L-цистеин-серебряный раствор с водным раствором поливинилового спирта, так что его концентрация в смеси находится в пределах от 1,0 до 2,0 мас. %, и водным раствором сульфата с катионом из ряда Na, K, Mg, Zn, Ni, Co при концентрации сульфата в смеси в пределах 0,075-0,750 мМ, через определенное время, зависящее от концентрации сульфата и типа катиона, система переходит из жидкого состояния в гель.
Недостатком известного способа является тиксотропность получаемого материала, в результате чего, он не может быть использован для целей регенеративной медицины.
Целью заявляемого способа является сохранение активной супрамолекулярной структуры, а также использование этой структуры для получения макропористых пленок на основе L-цистеина, нитрата серебра и поливинилового спирта, пригодных для применения в целях регенеративной медицины.
Поставленная цель достигается за счет введения в ЦСР поливинилового спирта с сохранением супрамолекулярной структуры, дальнейшем получении геля введением электролита и дальнейшим получением криогеля, посредством замораживания-размораживания геля и дальнейшего центрифугирования, получения макропористой пленки высушиванием криогеля под вакуумом. Сохранение супрамолекулярной структуры - цепочечной структуры Фиг 1а подтверждается данными УФ-спектроскопии Фиг. 5.
Изобретение иллюстрируется Фиг. 1-7.
Фиг. 1 – а) структура супрамолекулярной цепочки ЦСР, где R – остаток цистеина, б) внешний вид тиксотропного гидрогеля, в) демонстрация тиксотропности гидрогеля ЦСР/ПВС – мгновенно растекается при нанесении на кожный покров, г) демонстрация отсутствия тиксотропности у криогеля на основе ЦСР/ПВС – не течет при нанесении на кожный покров, д) пленка на основе криогеля ЦСР/ПВС – эластичная, прочная, прозрачная, с хорошей адгезией к кожному покрову.
о
-4
Фиг. 2. Микрофотографии пленок: а – ЦСР, б, в, г, д, е, ж, з – ЦСР/ПВС с концентрацией ПВС соответственно – 0,05, 0,1, 0,25, 0,5, 0,75, 1,0 и 1,25 масс. %. Температура  заморозки исходного тиксотропного гидрогеля -20 С, скорость центрифугирования 6 000 об/мин, вакуумная сушка при остаточном давлении 10 Па и комнатной температуре.
Фиг 3. ИК-спектры: 1 – пленки для концентрации ПВС 1,25 масс. % и  2 - пленки для концентраций ПВС 0,5 масс. %. Температура заморозки исходного тиксотропного гидрогеля -20 °С. Скорость центрифугирования 6 000 об/мин, вакуумная сушка при остаточном давлении 10-4 Па и комнатной температуре.
о
о
о
о
-4
ПВС
Фиг. 4. Микрофотографии пленок, полученных при разных температурах заморозки исходного тиксотропного гидрогеля: а) - 5 С,         б) - 10 С, в) - 20 С, г) - 30 С. C = 0,5 масс. %. Скорость центрифугирования 6 000 об/мин, вакуумная сушка при остаточном давлении 10 Па и комнатной температуре.
Фиг. 5. УФ-спектры образцов: - а) 1 – ЦСР, 2 – ЦСР/ПВС тиксотропный гель, 3 и 4 ЦСР/ПВС пленки, полученные соответственно при 6 000 об/мин и 7 000 об/мин, б) супернатантов, полученных при 6 000 об/мин, а для 7 000 об/мин на УФ-спектре появляются полосы при 310 и 390 нм, что аналогично как у кривой 2 группы а).
Фиг. 6 а, б - Кривые распределения частиц по размерам супернатантов для образца ЦСР/ПВС криогеля, полученного соответственно при 7 000 об/мин и при 6 000 об/мин.
-5
-4
-3
о
-4
Фиг. 7. Микрофотографии ЦСР/ПВС пленок, полученных при разных режимах вакуумной сушки: а – 10 Па, б - 10 Па и в - 10 Па. Температура заморозки исходного тиксотропного гидрогеля -20 С. Скорость центрифугирования 6 000 об/мин, вакуумная сушка при остаточном давлении 10 Па и комнатной температуре.
Способ осуществляется следующим образом.
1. Получение L-цистеин-серебряного раствора.
о
Смешивают водный раствор L-цистеина с водным раствором нитрата серебра так, чтобы концентрация L-цистеина в смеси составляла от 1,5 до 4,5 мМ, а отношение молярных концентраций нитрата серебра к L-цистеину в смеси находилось в диапазоне от 1,25 до 1,30. Далее смесь оставляют в защищенном от света месте при температуре 18-28 С на 4-12 часов для формирования цистеин-серебряного раствора. Структуру супрамолекулярной цепочки ЦСР иллюстрирует Фиг. 1а.
2. Получение тиксотропного гидрогеля.
Последовательно смешивают L-цистеин-серебряный раствор с водным раствором поливинилового спирта, так что его концентрация в смеси находится в пределах от 0,1 до 1,0 мас. %. И водным раствором сульфата с катионом из ряда Na, K, Mg, Zn, Ni, Co при концентрации сульфата в смеси в пределах 0,075-0,750 мМ, через определенное время, зависящее от концентрации сульфата и типа катиона, система переходит из жидкого состояния в гель Фиг. 1б. Тиксотропность полученного гидрогеля иллюстрирует Фиг. 1в. Опытным путем установлено, что ниже и выше вышеуказанных концентраций поливинилового спирта не удается получить пористые пленки Фиг. 2 и Фиг. 3.
1. Получение нетиксотропной криогельной массы.
о
Полученный гель замораживают при температуре от -5 до -20 С и выдерживают в замороженном состоянии от 12 до 24 часов, что является оптимальным диапазоном для завершения процессов формирования пространственной сетки геля. Далее образец размораживают при комнатной температуре. Опытным путем установлено, что за пределами этого температурного диапазона не удается получить пористую структуру конечной пленки Фиг. 4.
2. Получение макропористой пленки
-4
Полученную криогельную массу центрифугируют при 6 000 об/мин в течение 30 минут. Опытным путем было установлено, что при скоростях ниже 6 000 об/мин происходит неполное оседание частиц дисперсной фазы, что подтверждается методом динамического рассеяния света - луч лазера сильно рассеивает, да и визуально. Выше 6 000 об/мин происходит частичное разрушение и выдавливание как супрамолекулярных фрагментов, так и фракций полимера Фиг. 5 и 6. При центрифугировании менее 30 минут происходит неполное оседание частиц дисперсной фазы, а более длительное центрифугирование приводит лишь увеличению энергозатрат и износу оборудования. Воду декантируют, а полученную гелевую массу Фиг. 1г наносят на полимерную подложку и сушат в вакууме при остаточном давлении 10 Па и комнатной температуре. Опытным путем установлено, что при таком давлении удается удалить воду на 99,9%, выше этого давления происходит вспенивание криогельной массы, а снижение приводит к недостаточной и нерегулярной пористости конечной пленки Фиг. 7. В результате получают слегка желтоватую опалесцирующую пленку с толщиной около 50 мкм Фиг. 1д.
Пример реализации заявляемого способа.
о
о
-4
1,238 мл 0,005 М водного раствора L-цистеина смешивают с 0,762 мл 0,01 М водного раствора нитрата серебра, так что концентрация L-цистеина в смеси составляет 3,0 мМ, а отношение молярных концентраций нитрата серебра к L-цистеину в смеси 1,27. Полученную смесь оставляют в защищенном от света месте при температуре 25 С на 10 часов для формирования L-цистеин-серебряного раствора. Далее L-цистеин-серебряный раствор последовательно смешивают с водным раствором поливинилового спирта, так что концентрация спирта в смеси 0,5 мас. % и 0,1 мл 0,01М водного раствора сульфата Na, при концентрации сульфата в смеси 0,1 мМ, и, через 8 часов система переходит из жидкого состояния в состояние тиксотропного геля. Гель замораживают при температуре от -20 С и выдерживают в замороженном состоянии 18 часов, для завершения процессов формирования пространственной сетки геля. Полученную размораживанием геля при комнатной температуре, водно-гелевую массу центрифугируют при 6 000 об/мин в течение 30 минут; далее, полученную декантированием воды, гелевую массу наносят на полимерную подложку и сушат в вакууме при остаточном давлении 10 Па и комнатной температуре с получением слегка желтоватой опалесцирующей макропористой пленки.
Изобретение позволяет получить пористые, набухающие в воде пленки на основе L-цистеина, нитрата серебра и поливинилового спирта, с сохранением активной супрамолекулярной структуры, пригодные для применения в целях регенеративной медицины. Заявляемый способ может быть реализован на стандартном оборудовании химической лаборатории.