PRODUCTION AND RESEARCH OF BIODEGRADABLE PROTEIN-POLYSACCHARIDE FILM BASED ON POTATO STARCH

Актуальность данной темы обусловлена тем, что в последние годы возрос интерес к биоразлагаемым полимерным материалам, которые направлены на улучшение качества жизни пациента и сведение к минимуму вмешательства в организм человека во время медицинских манипуляций. Современные лаборатории предоставляют множество полимеров, которые нашли применение во всевозможных биомедицинских приложениях. Например, использование в качестве антибактериальных и необрастающих хирургических биоматериалов, тканевой инженерии, адресной транспортировки лекарств и т. д.

Среди полимерных биоматериалов значительную роль играют как синтетические, так и природные полимеры, а также композиты на основе полимерных связующих, неорганических и углеродных наполнителей

Природные полимеры, такие как коллаген, хитозан, альгинат и желатин, происходят из биологических источников и обладают высокой биосовместимостью и биодеградабельностью. Они используются в регенеративной медицине, в том числе для восстановления костного, хрящевого и тканевого дефекта, а также для создания наночастиц и лекарственных форм.

Композитные материалы на основе полимерных связующих, неорганических и углеродных наполнителей предлагают преимущества, такие как улучшенная механическая прочность, более широкий диапазон свойств и улучшение функциональности биоматериалов. Они используются в создании материалов для зубных имплантатов, костных трансплантатов, а также для создания растительных тканей и лекарственных форм.

Наиболее востребованными полимерами для изготовления изделий биомедицинского назначения являются сложные полиэфиры α-гидроксикислот: полилактид, полигликолид, поли(ε-капролактон), полидиоксанон, а также их сополимеры.

Эти полимеры обладают высокой биосовместимостью и биодеградабельностью, что делает их идеальными для использования в медицине и биотехнологиях.

Полилактид (PLA) – это биосовместимый полимер, который широко используется в медицинских имплантатах, таких как швы и нити для тканевых ремонтов, а также в качестве материала для создания костных трансплантатов, сосудистых протезов и препаратов для управления болезненностью, а также в качестве направленной доставки лекарств

Полигликолид (PGA) – это также биодеградируемый и биосовместимый полимер, который используется для производства имплантатов и медицинских препаратов для управления болезненностью, таких как швы и нити, а также для создания стентов и трубчатых протезов

Поли(ε-капролактон) (PCL) – это полимер, который используется для создания костных трансплантатов, тканевых инженерных конструкций, а также для производства нитей и швов.

Полидиоксанон (PDO) – это полимер, который используется для создания швов, нитей и трансплантатов, таких как тендонные и связочные имплантаты, а также в качестве материала для создания косметических нитей и каркасов для тканевых инженерных конструкций

Сополимеры этих полимеров также находят широкое применение в медицине и биотехнологиях, так как они позволяют получить материалы с улучшенными свойствами, такими как механическая прочность, биосовместимость и биодеградабельность.

На данный момент на территории Российской Федерации отсутствуют предприятия по производству полимерных материалов, предназначенных для медицинской отросли. Авторами проводились исследования, направленные на получение и исследование биоразлагаемых белково-полисахаридных пленок на основе картофельного крахмала. Предполагалось, что белково-полисахаридная пленка, полученная на основе картофельного крахмала, способ получения которой включает тщательное перемешивание компонентов смеси, охлаждение, формование пленки на гладкой гнущейся поверхности и ее высушивание, будет схожа с более дорогими аналогами по физическим свойствам.

Целью работы являлась отработка методики приготовления и определения физических свойств биоразлагаемых белково-полисахаридных пленок на основе картофельного крахмала.

Решение поставленных в работе задач осуществлялось на основе применения общенаучных методов исследования в рамках описательного, наблюдательного, сравнительного анализов. Кроме того, в работе использовался теоретический анализ научной литературы.

Получение биоразлагаемой белково-полисахаридной пленки на основе картофельного крахмала осуществлялось путем перемешивания водного раствора желатина с суспензией крахмала, затем в смесь добавлялся сшивающий агент – водный раствор глутарового альдегида с последующим перемешиванием, при этом температура смеси должна быть 45-55°С с последующим формированием пленки на стеклянной поверхности при комнатной температуре, высушиванием и проверкой ее на пластичность.

Сшивка коллагеновых волокон химическим способом заключается в их обработке с помощью химических сшивающих агентов. Среди многочисленных сшивающих агентов преимущественно используется глутаровый альдегид, поскольку он способен реагировать с функциональными группами как в белках, так и в углеводах (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема реакции сшивания молекул коллагена с помощью глутарового альдегида

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.82.1

Глутаровый альдегид – это эффективный сшивающий агент для биомедицинских материалов, включая материалы на основе коллагена. Благодаря своей химической структуре он способен образовывать кросс-связи между молекулами коллагена, что улучшает механические свойства материала и делает его более устойчивым к разрушению.

Желатин обладает рядом свойств, которые делают его полезным в качестве медицинского изделия:

1. Биокомпатибельность – желатин не вызывает отторжения в теле и не токсичен;

2. Гидрофильность – желатин способен привлекать воду и образовывать гидрогели, что позволяет использовать его в качестве материала для повязок и гемостатических средств;

3. Пленкообразующие свойства – желатин может использоваться для создания пленок, которые могут применяться для ускорения заживления ран и язв;

4. Образование геля – желатин может образовывать гели с полезными для здоровья свойствами, например, гель из коллагена, который может использоваться для лечения ожогов и ран;

5. Низкая аллергенность – желатин не вызывает аллергических реакций, что делает его безопасным для использования в медицинских изделиях

Однако, как уже указывалось, некоторые свойства желатина могут ограничивать его применение в медицинских изделиях, что требует модификации материала для улучшения его свойств.

Использование крахмальных биоплёнок имеет ряд преимуществ, включая биоразлагаемость, биосовместимость и доступность крахмала в природных источниках. Антимикробные плёнки на основе крахмала могут быть использованы в широком спектре приложений, таких как пищевая промышленность, медицинское оборудование и упаковочный материал

С учетом известных из литературы свойств материалов в качестве объектов для исследований были выбраны крахмал, желатин и глутаровый альдегид.

Крахмал является эффективной матрицей для создания антимикробных биоплёнок и широко используется в природе. Существует технология производства плёнок на основе крахмала, которая хорошо отработана

Рисунок 2 - Водная суспензия крахмала

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.82.2

Желатин – частично гидролизованный коллаген, известен своими пленкообразующими свойствами (рисунок 3).

Рисунок 3 - Водный раствор желатина

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.82.3

В медицинских исследованиях глутаровый альдегид широко используется для создания биопротезов сердечных клапанов, так как он обладает отличными механическими свойствами и биосовместимостью (рисунок 4). Кроме того, глутаровый альдегид может использоваться для модификации желатина и других материалов и тканей, что позволяет улучшить их свойства и приспособить их к конкретным медицинским нуждам

[6, C. 459-461]

.

Рисунок 4 - Водный раствора глутарового альдегида

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.82.4

В наших исследованиях сшивка полисахарида и белка при помощи глутарового альдегида, концентрацией приблизительно 5%, привела к образованию плотного студенистого вещества (рисунок 5), которое далее использовалось для создания пленки (рисунок 6).

Рисунок 5 - Смешивание реагентов

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.82.5

Рисунок 6 - Формирование пленки

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.82.6

Далее проводилось смешивание реагентов в одинаковых соотношениях и концентрациях до 10%. Смешивание растворов проводилось в при комнатной температуре. Температура растворов была 36-40 °C. Формирование пленки осуществлялось на гладкой гнущейся поверхности. При исследовании механического воздействия методом «испытания на ползучесть» на материал установлено, что полученная пленка обладает студнеобразной структурой, светло-бежевым цветом и хорошей пластичностью. При деформации принимает первоначальный вид. В процессе эксперимента не было замечено трещин на поверхности пленки при ее деформации (рисунок 7). Анализ сравнений с аналогами на физические свойства планируется на следующем этапе работы.

Рисунок 7 - Проверка пластичности пленки

DOI:10.23670/IRJ.2023.133.82.7

Для общей оценки экономической эффективности рассчитали себестоимость, которая составила ≈ 20,00 рублей за одну единицу площадью 15 см2 в лабораторных условиях. Аналогами можно считать гидроколлоидные повязки, обладающие схожими физическими свойствами и фармакологией. Единица аналога площадью 15 см2 обходится ≈ 100,00 рублей.

В результате исследования нами получена биоразлагаемая белково-полисахаридная пленка на основе картофельного крахмала. Использование глутарового альдегида для сшивки различных биоматериалов позволит создавать новые типы пленок с улучшенными физическими свойствами, такими как повышенная прочность и стабильность. Себестоимость полученной пленки ниже в 5 раз по сравнению с известными аналогами. Это обеспечивается за счет использования более дешевого сырья (крахмала и сшивающего агента глутарового альдегида) в рецептуре. Проведение дальнейших исследований будет направлено на определение области применения и промышленное внедрение технологии.