СПОСОБ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КСЕНОПЕРИКАРДА
METHOD FOR CHEMICAL TREATMENT OF XENOPERICARDIUM

Изобретение относится к медицине, а именно к сердечно-сосудистой хирургии.
Известен способ обработки биологических протезов из ксеноперикарда (Патент РФ, № 2120212, 20.10.1998), включающий обработку биоткани (ксеноперикард теленка) в растворе 0,625% глутарового альдегида и поверхностно-активного вещества (ПАВ) в режиме интенсивного встряхивания при многократной смене рабочего раствора. В качестве ПАВ используют, например, 1% раствор додецилсульфата натрия.
Недостатком данного способа является недолговечность биологических протезов из ксеноперикарда, а именно кальцификация к 6-8 году после имплантации. Кроме того, в результате химической обработки ксеноперикарда глутаровым альдегидом и додецилсульфатом снижаются гидрофильность и, соответственно, биосовместимость ксеноперикарда и возрастает его цитотоксичность за счет содержания в нем остаточных альдегидных групп, провоцирующих отложение кальцификатов.
Техническим результатом предлагаемого способа химической обработки ксеноперикарда является увеличение долговечности и биосовместимости биопротезов, изготовленных из такого ксеноперикарда, за счет повышения их гидрофильности, понижения цитотоксичности и склонности к кальцификации.Технический результат достигается за счет нейтрализации остаточных альдегидных групп ксеноперикарда благодаря образованию альдиминных связей с аминогруппами хитозана и формированию на поверхности ксеноперикарда гидрофильного бислойного покрытия из противоположно заряженных производных хитозана.
3
3
3
Способ осуществляется следующим образом. Ксеноперикард стабилизируют 0,625% раствором глутарового альдегида с последующей обработкой 1% раствором додецилсульфата натрия. Полученный химически стабилизированный ксеноперикард дополнительно обрабатывают 0,05÷0,25% водным раствором хитозана или металлсодержащего хитозана со степенью деацетилирования (СД) 50÷98% и молекулярной массой (ММ) 4÷140·10 при рН 3÷5 в течение 20÷60 мин при 20÷30°С. По окончании обработки ксеноперикард фиксируют в 70% водном растворе этанола и затем ксеноперикард с фиксированным первичным хитозановым покрытием выдерживают в 0,10÷0,50% водном растворе N-сульфосукцината хитозана с ММ 10÷166·10 или 3,6-О-дисульфата хитозана с ММ 7÷180·10 при рН 4÷8 в течение 20÷60 мин при 20÷30°С с последующей фиксацией полученного покрытия в абсолютном этаноле. Модифицированный ксеноперикард хранят в стерильном физиологическом растворе при 6-8°С.
В результате обработки ксеноперикарда, стабилизированного глутаровым альдегидом, водным раствором хитозана или металлсодержащего хитозана, происходит связывание последнего с биологической тканью с образованием альдиминных связей за счет взаимодействия аминогрупп полимера с остаточными альдегидными группами стабилизированного глутаровым альдегидом ксеноперикарда. Выбранный для этого интервал рН 3-5 растворов хитозана обеспечивает, во-первых, протонирование необходимого количества аминогрупп хитозана для полного его растворения и, во-вторых, делает возможным их связывание с остаточными альдегидными группами ксеноперикарда. Для формирования прочного гидрофильного покрытия модифицированный хитозаном ксеноперикард дополнительно обрабатывают противоположно заряженными производными хитозана, например N-сульфосукцинатхитозаном (ССХ) и 3,6-О-дисульфатхитозаном (OCX) с образованием полиэлектролитного комплекса (ПЭК). Выбранный при этом интервал рН 4-8 растворов сульфатов хитозана обеспечивает эффективное электростатическое взаимодействие как карбоксильных, так и сульфатных групп используемых производных с аминогруппами хитозана, покрывающего первым слоем ксеноперикард. По окончании обработки ксеноперикард выдерживают в абсолютном этаноле для перевода образовавшегося покрытия в нерастворимую в воде форму, что позволяет длительно хранить модифицированный ксеноперикард в стерильном физиологическом растворе при температуре 6-8°С.
В таблице 1 приведены используемые в предлагаемом способе химической обработки ксеноперикарда производные хитозана с наиболее существенными характеристиками, такими как: степень деацетилирования (СД), молекулярная масса (ММ) и содержание серы.
Таблица 1
Физико-химические характеристики хитозана и его производных
№ п/п
Наименование соединения
Шифр
СД, %
ММ, 10<sup>-3</sup> г/моль
Сера, %
1
Хитозан
Хит-1
98
140
-
2
-//-
Хит-2
76
60
-
3
-//-
Хит-3
50
4
-
4
Cu-хитозан
Хит-Cu
85
100
-
5
Ag-хитозан
Хит-Ag
98
20
-
6
N-сульфосукцинат хитозана
ССХ-1
-
166
6,5
7
-//-
ССХ-2
-
10
8,5
8
-//-
ССХ-3
-
128
4,0
9
-//-
ССХ-4
-
70
5,5
10
-//-
ССХ-5
-
37
7,0
11
3,6-О-дисульфат хитозана
ОСХ-1
-
180
14,3
12
-//-
ОСХ-2
-
21
15,0
13
-//-
ОСХ-3
-
97
15,3
14
-//-
ОСХ-4
-
40
15,7
15
-//-
ОСХ-5
-
7
14,8
Ниже приведены конкретные примеры осуществления предлагаемого способа.
Пример 1
Ксеноперикард теленка подвергают стабилизации 0,625% раствором глутарового альдегида с последующей обработкой 1% раствором додецилсульфата натрия и изготавливают из него биопротезы в виде пластин.
2
3
3
Ксеноперикард в виде пластин площадью 30 см и толщиной 0,4-0,5 мм несколько раз тщательно промывают стерильным физиологическим раствором с 6-кратной сменой раствора из расчета 500 мл на 100 г биоткани, отмытый ксеноперикард помещают в 50 мл (10 г/50 мл) 0,05% водного раствора Хит-1 с ММ 140·10г/моль и рН 3, интенсивно перемешивают на шейкере в течение 30 мин при 20°С. По окончании обработки ксеноперикард погружают в 70% водный раствор этанола и затем ксеноперикард с фиксированным первичным хитозановым покрытием помещают в 50 мл 0,10% водного раствора ССХ-3 с MM 128·10 г/моль и рН 8, интенсивно перемешивают на шейкере в течениие 30 мин при 20°С. По окончании обработки двойной полимерный слой на поверхности ксеноперикарда фиксируют абсолютным этанолом, после чего модифицированный ксеноперикард помещают в стерильный физиологический раствор и хранят при температуре 6-8°С. Достижение технического результата подтверждается биомедицинскими доклиническими исследованиями, результаты которых в сравнении со способом-прототипом приведены в таблицах 2-5.
Пример 2
Ксеноперикард теленка подвергают стабилизации 0,625% раствором глутарового альдегида с последующей обработкой 1% раствором додецилсульфата натрия и изготавливают из него биопротезы в виде пластин.
2
3
3
Ксеноперикард в виде пластин площадью 30 см и толщиной 0,4-0,5 мм несколько раз тщательно промывают стерильным физиологическим раствором с 6-кратной сменой раствора из расчета 500 мл на 100 г биоткани, отмытый ксеноперикард помещают в 50 мл (10 г/50 мл) 0,25% водного раствора Хит-Cu с ММ 100·10 г/моль с рН 4 в течение 60 мин при 30°С. По окончании обработки ксеноперикард погружают в 70% водный раствор этанола и затем ксеноперикард с фиксированным первичным хитозановым покрытием помещают в 50 мл 0,25% водного раствора ССХ-5 с ММ 37·10 г/моль и рН 5 в течение 60 мин при 30°С. По окончании обработки двойной полимерный слой на поверхности ксеноперикарда фиксируют абсолютным этанолом, после чего модифицированный ксеноперикард помещают в стерильный физиологический раствор и хранят при температуре 6-8°С. Достижение технического результата подтверждается биомедицинскими доклиническими исследованиями, результаты которых в сравнении со способом-прототипом приведены в таблицах 2-5.
Пример 3
Ксеноперикард теленка подвергают стабилизации 0,625% раствором глутарового альдегида с последующей обработкой 1% раствором додецилсульфата натрия и изготавливают из него биопротезы в виде пластин.
2
3
3
Ксеноперикард в виде пластин площадью 30 см и толщиной 0,4-0,5 мм несколько раз тщательно промывают стерильным физиологическим раствором с 6-кратной сменой раствора из расчета 500 мл на 100 г биоткани, отмытый ксеноперикард помещают в 50 мл (10 г/50 мл) 0,25% водного раствора Хит-3 с ММ 4·10 г/моль и рН 5 в течение 20 мин при 25°С. По окончании обработки ксеноперикард погружают в 70% водный раствор этанола и затем ксеноперикард с фиксированным первичным хитозановым покрытием помещают в 50 мл 0,30% водного раствора ОСХ-2 с ММ 21·10 г/моль и рН 7 в течение 60 мин при 25°С. По окончании обработки двойной полимерный слой на поверхности ксеноперикарда фиксируют абсолютным этанолом, после чего модифицированный ксеноперикард помещают в стерильный физиологический раствор и хранят при температуре 6-8°С. Достижение технического результата подтверждается биомедицинскими доклиническими исследованиями, результаты которых приведены в таблицах 2-5, где представлены преимущества предлагаемого способа в сравнении со способом-прототипом.
Таблица 2
Токсикологические исследования. Цитотоксичность на суспензионной кратковременной культуре подвижных клеток
Допустимое значение: количество выживших клеток, %
Прототип
Пример 1
Пример 2
Пример 3
70-120
50±5%
106±4%
95±6%
101±4%
Таблица 3
Исследование кальциноза in vivo на крысах
Способ химической стабилизации биотканей
Количество образцов
Содержание Са, мг/г сухой ткани
Прототип
53
8,22±0,42
Предлагаемый способ
Пример 1
41
0,51±0,1
Пример 2
38
0,22±0,03
Пример 3
44
0,35±0,07
Таблица 4
Микробиологические исследования. Формирование биопленки S. Epidermidis
Способ химической стабилизации биотканей
Результат испытаний
Прототип
100%
Предлагаемый способ
Пример 1
≤1%
Пример 2
≤1%
Пример 3
≤1%
Таблица 5
Упругопрочностные свойства химически стабилизированного ксеноперикарда
Способ химической стабилизации биотканей
σпч, МПа Предел прочности (по двум направлениям)
Е, МПа Модуль упругости (по двум направлениям)
ε<sub>max</sub>, % Максимальная деформация до нарушения сплошности (по двум направлениям)
Прототип
15,08±0,71
71,40±1,34
41,43±1,62
7,32±0,43
37,21±1,10
41,30±1,43
Предлагае-мый способ
Пример 1
12,33±0,77
68,51±2,15
36,98±1,57
7,21±0,57
38,08±1,89
38,12±1,19
Пример 2
13,77±0,18
74,77±0,88
42,01±1,53
6,98±0,57
35,99±1,65
38,08±1,28
Пример 3
14,43±0,11
69,76±1,84
37,16±1,44
7,45±0,26
37,38±1,47
43,07±1,87
Представленные данные свидетельствуют о том, что модификация ксеноперикарда Хит-1 и затем ССХ-3, как описано в примере 1, либо Хит-Cu и затем ССХ-5, как описано в примере 2, либо Хит-3 и затем ОСХ-2, как описано в примере 3, значительно снижает цитотоксичность биологических протезов, изготовленных из модифицированного ксеноперикарда.
Представленные данные свидетельствуют о том, что модификация ксеноперикарда Хит-1 и затем ССХ-3, как описано в примере 1, либо Хит-Cu и затем ССХ-5, как описано в примере 2, либо Хит-3 и затем OCX-2, как описано в примере 3, позволяет существенно уменьшить кальцификацию биологических протезов, изготовленных из модифицированного ксеноперикарда, на модели подкожной имплантации крысам.
Представленные данные свидетельствуют о том, что модификация ксеноперикарда Хит-1 и затем ССХ-3, как описано в примере 1, либо Хит-Cu и затем ССХ-5, как описано в примере 2, либо Хит-3 и затем ОСХ-2, как описано в примере 3, придает биологическим протезам, изготовленным из модифицированного ксеноперикарда, антимикробные свойства.
Представленные данные свидетельствуют о том, что модификация ксеноперикарда Хит-1 и затем ССХ-3, как описано в примере 1, либо Хит-Cu и затем ССХ-5, как описано в примере 2, либо Хит-3 и затем OCX-2, как описано в примере 3, не снижает механической прочности ксеноперикарда.
Остальные конкретные примеры, раскрывающие сущность предлагаемого изобретения, приведены в таблице 6.
В примерах, описанных в таблице 6, количество покрывного вещества (иммобилизованного ПЭК) на поверхности ксеноперикарда определяли по цветной реакции с фенол-серной кислотой спектрофотометрически при длине волны 492 нм.
Толщину образующейся пленки на ксеноперикарде определяли на основании количества покрывного вещества (m), определяемого по содержанию серы рентгенофлуоресцентным методом, по формуле:
h=m/r·S,
3
2
где: h - толщина пленки (см); m - масса пленки (г); r - плотность полимера (г/см); S - площадь образца (см).
При использовании ОСХ-4 для получения покрытия содержание серы на поверхности ксеноперикарда составляло 0,25%. На основании этих данных расчет толщины (h) пленки, образующейся по примеру 9 (табл.6), представляет:
Краевой угол смачивания, а также скорость сорбции капли воды ксеноперикардом (табл.7), отражающие степень гидрофильности поверхности ксеноперикарда, оценивали с помощью стандартизованной методики регистрации динамики изменения формы адсорбированной капли и фиксации ее геометрии в течение некоторого промежутка времени с помощью цифровой камеры установки Фемтоскан Радиан (ЦПТ, Россия).
Содержание остаточных альдегидных групп после обработки ксеноперикарда хитозаном определяли по цветной реакции с 2,4-динитрофенилгидразином спектрофотометрически при длинах волн 460 нм и 525 нм. Проведенные измерения показали практически полное отсутствие свободных альдегидных групп после обработки ксеноперикарда растворами хитозана.
Таблица 6
Конкретные примеры химической обработки ксеноперикарда хитозаном и его сульфопроизводными
№ п/п
Образец (шифр)
Первичная обработка
Образец (шифр)
Вторичная обработка
Количество покрывного вещества, мг/г, и/или мкг/см
Краевой угол смачивания, градусы
Индекс токсичности, %
рН
С, %
t, мин
Т, °С
рН
С, %
t, мин
Т, °С
1
Хит-1
3
0,05
30
20
ССХ-3
8
0,10
30
20
3/39
50
106±2
2
Хит-Cu
4
0,25
60
30
ССХ-5
5
0,25
60
30
8/90
13
85±6
3
Хит-3
5
0,25
20
25
OCX-2
7
0,30
60
25
6/82
25
101±4
4
Хит-2
4
0,15
40
25
ССХ-2
7
0,30
40
25
4/63
35
100±3
5
Хит-2
5
0,15
40
25
OCX-2
7
0,30
20
25
5/74
35
99±5
6
Хит-1
4
0,20
60
30
OCX-1
4
0,40
50
30
6/80
35
95±4
7
Хит-Ag
5
0,25
50
25
CCX-4
6
0,20
50
25
4/55
50
90±5
8
Хит-3
5
0,10
30
20
OCX-3
6
0,20
60
20
12/150
20
99±5
9
Хит-Cu
4
0,05
20
20
OCX-4
5
0,10
30
20
15/131
10
83±7
10
Хит-Ag
3
0,25
50
25
OCX-5
7
0,50
40
25
8/107
40
92±3
На фиг.1 показана зависимость контактного угла смачивания подложки ксеноперикарда для капли воды от времени с однослойным (образцы 01А и 03А) и двухслойным (образцы 02А и 04А) покрытиями. Обозначения:
1. conta - без покрытия (прототип);
2. 01А - однослойное покрытие Хит-3;
3. 02А - двухслойное покрытие Хит-3 + ССХ-1;
4. 03А - однослойное покрытие Хит-Cu;
5. 04А - двухслойное покрытие Хит-Cu + ССХ-5.
Представленные на фиг.1 данные свидетельствуют об увеличении гидрофильности поверхности ксеноперикарда в результате первичной обработки (01А и 03А), которая дополнительно повышается после вторичной обработки сульфопроизводным хитозана (ССХ-1 и ССХ-5). При этом, как видно из таблицы 7, скорость впитывания капли для образцов, покрытых OCX, с высоким содержанием сульфатных групп заметно выше (примеры 6-8), чем для образцов, покрытых ССХ, в качестве контроля взяты образцы пластин, полученные по способу, указанному в прототипе.
Таблица 7
Начальный угол смачивания и скорость впитывания воды в некоторые образцы модифицированного ксеноперикарда
Образцы из табл.6
Начальный контактный угол, градус
Сорбционный поток впитывания в образец через область контакта, г/(см<sup>2</sup>×с)
Прототип
70
3×10<sup>-5</sup>
Пример 1
50
2×10<sup>-5</sup>
Пример 4
35
4×10<sup>-5</sup>
Пример 5
35
4×10<sup>-5</sup>
Пример 10
35
8×10<sup>-5</sup>
Прототип
80
2×10<sup>-5</sup>
Пример 7
50
7×10<sup>-5</sup>
Пример 6
40
19×10<sup>-5</sup>
Пример 8
20
17×10<sup>-5</sup>
Пример 9
10
40×10<sup>-5</sup>
1
2
1
2
Для характеристики степени молекулярной дисперсности исследуемых растворов использовали метод динамического светорассеяния. Измерения размеров частиц этих растворов показали, что водные растворы сульфатированных производных хитозана содержат, в основном, частицы двух типов с радиусом R(0)=3,5±1 нм и R(0)=123,6±8 нм для ССХ и R(0)=5,5±1 нм и R(0)=175,4±7,4 нм для OCX. Между тем, слабокислые водные растворы хитозана содержат небольшое количество надмолекулярных частиц, размеры которых в некоторых случаях превосходят предел исключения применяемых для стерилизации мембран (0,22 мкм). Очевидно, это связано с различной формой агрегированных макромолекул в используемых растворителях. При обработке ксеноперикарда согласно предлагаемому способу первоначально растворами хитозана (см. п/п 1-5, табл.1), фиксацией в 70% водном растворе этанола, а затем растворами ССХ или OCX с последующим осаждением абсолютным этанолом, очевидно, могут образовываться более крупные комплексные надмолекулярные частицы. На фиг.2 и 3 представлены результаты исследования методом электронной сканирующей микроскопии морфологии поверхности химически стабилизированного ксеноперикарда до обработки растворами производных хитозана (фиг.2) и ксеноперикарда, модифицированного хитозаном (п/п 1-5, табл.1) и 3,6-О-дисульфатом хитозана (фиг.3). Таким образом, изобретение в представленной совокупности признаков очевидным образом обеспечивает достижение технического результата, а именно снижает степень кальцификации и цитотоксичности биопротезов, придает им антимикробные свойства, что, безусловно, увеличивает их долговечность и снижает риск повторных операций.
Перспективы клинического применения биологических протезов из ксеноперикарда, обработанного по предлагаемому способу путем его предимплантационной модификации производными хитозана, предполагают создание нового поколения биологических протезов, отличающихся высокой биологической совместимостью, резистентностью к развитию инфекции, кальцификации и, как следствие, большей безопасностью и эффективностью функционирования в организме.
Разрабатываемые новые биологические протезы из ксеноперикарда, отличающиеся высокой биологической совместимостью, смогут найти широкое применение в кардиохирургических клиниках Российской Федерации и за рубежом.
Внедрение предлагаемого способа обработки ксеноперикарда производными хитозана в производство биопротезов будет иметь позитивный социально-экономический эффект при использовании этого вида протезов в клинической практике за счет сокращения числа повторных дорогостоящих кардиохирургических вмешательств по замене биологических протезов клапанов сердца.