Прототипы гелей, предназначенных для применения в медицине, стерилизовали в ИЯФ СО РАН
- 13.11.2019
В Центре радиационных технологий Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного исследовательского университета (НГУ) специалисты ФГБУ «ННИИТО им. Я. Л. Цивьяна» Минздрава России (ННИИТО) и Института органического синтеза им. И.Я. Постовского УрО РАН (ИОС УрО РАН) провели эксперимент по обработке ионизирующим излучением биорезорбируемых образцов полимерных гелей, которые в дальнейшем предполагается применять для доставки медицинских препаратов в живые организмы. Образцы совместно разрабатываются специалистами ННИИТО и ИОС УрО РАН. Ученые должны были установить, как ионизирующее излучение влияет на физико-химические свойства перспективных материалов (AIP Conference Proceedings 2063, 030017 (2019)).
Образцы полимерных гелей. Фото - А. Самохин
Эксперимент в Центре радиационных технологий ИЯФ СО РАН и НГУ – лишь часть исследования, одной из задач которого является выбор оптимального метода стерилизации медицинских гелей среди нескольких доступных (автоклавирование, стерилизация парами пероксида водорода, обработка на ускорителе электронов).
Биорезорбируемые набухаемые полимерные гели – это изделия, предназначенные для транспортировки различных полезных препаратов (или агентов) в живые системы, в том числе – в организм животных и человека. Они имеют целый ряд полезных качеств. По своей химической природе они биодеградируемые, то есть способны с течением времени полностью раствориться внутри организма. Кроме того, они емкие, как губка и способны вобрать в себя по объему в несколько раз больше, чем исходно сам образец.
Вместе с тем, сначала необходимо отработать вопросы их стерилизации, поскольку это обязательное условие их использования на практике в живых организмах. При этом важно учитывать, что в ходе стерилизации биоразлагаемых материалов-носителей надо добиваться уничтожения возможных включений в виде микроорганизмов (которые могут попасть в гель на этапе его производства) по всей толще полимерного материала такого геля. Дело в том, что, если стерильной будет только его поверхность, потенциально опасные для здоровья человека или животных микроорганизмы могут оказаться в толще геля. В дальнейшем в ходе естественной деградации геля в организме возникнет очаг инфекции за счет того, что высвободившиеся из толщи материала микроорганизмы могут инфицировать окружающие ткани.
«Мы сравнили способности двенадцати гелей на основе производных хитозана (карбоксиалкилхитозанов с различными сшивающими агентами либо без таковых) – к набуханию после использования трех различных методов стерилизации (автоклавирование при давлении 2,0 атм и температуре 130 °С, низкотемпературной стерилизации парами пероксида водорода, радиационная стерилизация)», – прокомментировал старший научный сотрудник ННИИТО, кандидат медицинских наук Александр Самохин.
Он отметил, что основным свойством выбранных гелей является способность транспортировать в себе другие препараты (например, лекарственные) – для этого они должны хорошо впитывать. У каждого использованного в эксперименте полимера существует своя исходная степень набухания, напрямую характеризующая способность впитывать в себя жидкости. При стерилизации полимеры могут менять свои физико-химические свойства, в частности, может улучшаться или ухудшаться транспортная функция, связанная с набуханием, либо же вовсе может произойти разрушение полимерного материала, в связи с чем необходим подбор видов и режимов их стерилизации для сохранения заданных свойств этих материалов с одновременным достижением их надежной стерилизации.
В ходе эксперимента в Центре радиационных технологий ИЯФ СО РАН и НГУ был проверен широкий диапазон лучевых дозированных воздействий. В ускорителе ИЛУ-10, разработанном специалистами ИЯФ СО РАН, электроны ускоряются до высоких энергий (5 МэВ). В объеме продукта возникает ионизация, которая приводит к гибели микроорганизмов. Целью данной работы был поиск оптимальных доз, при которых гарантируется необходимый уровень стерильности образцов, но при этом уровень деградации полезных свойств остается приемлемым для применения.
Образцы полимерных гелей. Фото - А. Самохин
«С увеличением дозы облучения, – пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат технических наук Вадим Ткаченко, – эффективность антимикробного действия возрастает. Поэтому ионизирующее излучение в больших дозах (>10 кГр) широко используется для стерилизации биопрепаратов, медицинских инструментов и изделий (одноразовых шприцов, эндопротезов, перевязочных материалов и т.д.). Перед нами стояла задача проверить, как образцы биорезорбируемых полимеров меняют свои физико-химические свойства при воздействии ионизирующего излучения. Стерилизационные дозы лежат в диапазоне от 15 кГр до 50 кГр. Мы вначале использовали дозу от 5 до 25 кГр для изучения поведения материалов в зависимости от поглощенной дозы, энергия ускорителя при этом составила 5 МэВ. В дальнейшем мы перешли на дозу 25 кГр, как необходимую для достижения «медицинского» уровня стерильности. При этом на процесс стерилизации уходит несколько минут».
Оказалось, что в зависимости от изменений поглощённой дозы образцом, меняется его степень набухания и, соответственно, транспортные возможности.
Это поисковый эксперимент, пояснил старший научный сотрудник ИОС УрО РАН, кандидат химических наук Александр Пестов, то есть дает самые предварительные данные. «Мы специально набрали большую серию образцов гелей, чтобы исключить те, с которыми дальнейшая работа бессмысленна. В результате лишь несколько образцов выдержали испытания при максимальной поглощенной дозе – остальные были забракованы, и это нормально при большой группе. Отобранные же образцы хорошо перенесли обработку – без сильной потери свойств, но при этом частично (хотя и некритично) утратили способность впитывать. Дело в том, что мы использовали максимальную дозу – 25 кГр, это достаточно агрессивное воздействие на полимеры, мы и изначально ожидали, что не все образцы хорошо его перенесут», – подчеркнул ученый.
В дальнейшем будут проведены эксперименты по проверке цитотоксичности гелей, отобранных по результатам переносимости ими стерилизации, то есть определение их способности повреждать клетки живых тканей. Первоначально цитотоксичность устанавливается в тестах in vitro на определенных клетках, после чего (в случае достижения предполагаемого результата in vitro) планируются эксперименты на модельных животных, необходимые как для проверки цитотоксичности in vivo, так и для проверки заданных характеристик самих гелей-носителей в условиях живой системы. Если вся серия экспериментов покажет, что образцы выдерживают испытания, то можно будет говорить о возможности регистрации изделия медицинского назначения.
Одним из проектов Программы развития Новосибирского научного центра Академгородок 2.0 является новый Центр радиационных технологий. Планируется, что здесь будут проводиться исследования процессов взаимодействия интенсивных электронных пучков и тормозного излучения в режиме ЦКП для российских и зарубежных разработчиков радиационных технологий, а также разрабатываться новые модели ускорителей для промышленности.