Разработка полимерных нановолокон проводилась в рамках диссертационного исследования аспиранта Петра Снеткова под руководством директора научно-исследовательского центра биоинженерии, профессора Майи Успенской. Статья с результатами исследования была опубликована в журнале Materials и выбрана издательством MDPI в качестве обложки 16-го выпуска журнала, включающего более 200 публикаций.

Обложка журнала Materials. Источник: mdpi.com
Обложка журнала Materials. Источник: mdpi.com

Гиалуроновая кислота фактически является жизненно важной составляющей организма: она входит в состав как самих клеток, так и околоклеточных и межклеточных пространств. Именно поэтому медицинские препараты на ее основе обладают абсолютной биосовместимостью и биодеградируемостью. Плюс ко всему, что крайне важно, она абсолютно нейтральна для иммунитета человека. В свою очередь, куркумин и усниновая кислота являются мощными иммуностимуляторами и антиоксидантами — но их биодоступность крайне мала, ведь они практически нерастворимы в воде.

Смесь гиалуроновой кислоты, куркумина и усниновой кислоты обладает уникальным комплексом свойств: противоонкологическим, антиоксидантным, противовоспалительным — при этом является абсолютно биосовместимой и биодеградируемой.

По задумке авторов исследования, такие нановолокна, полученные из полимерных растворов методом электроспиннинга, могут использоваться для создания раневых повязок, применяемых для лечения меланомы, ожогов, язв, экзем и нейродермитов. Это является перспективным направлением в медицине, ведь, например, эффективного лекарства от меланомы до сих пор не существует. Разработанную методику внедрения биологически активных веществ в полимерную матрицу также можно применять при создании наночастиц для адресной доставки лекарственных средств к органу-мишени.  

Микрофотографии, полученные с использованием электронного сканирующего микроскопа. Фото предоставлено авторами статьи
Микрофотографии, полученные с использованием электронного сканирующего микроскопа. Фото предоставлено авторами статьи

По словам ученых, главный научный прорыв разработки заключается в том, что гидрофобные добавки природного происхождения впервые удалось внедрить в матрицу из гидрофильной гиалуроновой кислоты. При этом авторы исследования подчеркивают, что «загрузка» БАВ производилась без использования катализирующих агентов, большинство из которых являются крайне токсичными.

«Проблема в том, что гиалуроновая кислота не растворяется в органических жидкостях, только в воде. При этом водные растворы по причине низкой скорости испарения воды, высокой вязкости и электропроводности крайне тяжело поддаются электроспиннингу, — объясняет автор исследования Петр Снетков, сотрудник научно-исследовательского центра биоинженерии, аспирант факультета прикладной оптики.

Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи применяют различные методы. Например, используют модифицирующие полимеры, в частности, поливиниловый спирт или полиэтиленоксид.

Пётр Снетков
Пётр Снетков

«На эту тему существует достаточно большое количество публикаций. Но проблема в том, что содержание самой гиалуроновой кислоты в таких системах значительно ниже, чем содержание модифицирующих полимеров, что ставит под сомнение их эффективность. Другой момент — использование сорастворителей, например, диметилформамида. Это достаточно токсичное вещество, которое в принципе не должно использоваться в медицинских приложениях», ― добавляет Петр Снетков.

Авторы исследования использовали в качестве сорастворителя диметилсульфоксид — широко распространенный лекарственный препарат для наружного применения. Его включение сделало нановолокна не только абсолютно безопасными для здоровья, но также добавило им антисептический и анестезирующий эффект.

В процессе работы была показана возможность регулирования морфологических характеристик вытягиваемых волокон: при изменении рабочего напряжения установки для электроспиннинга происходит утончение или, наоборот, утолщение волокон. Варьирование же концентрации и молекулярной массы входящих в смесь полимеров позволяет получать не только нановолокна, но и наночастицы, которые могут быть введены непосредственно в кровоток и использоваться для таргетной доставки лекарств.

«За счет того, что гиалуроновая кислота отрицательно заряжена, вокруг нее не будет образовываться липидная оболочка, которая может забивать мелкие сосуды. Нами были получены частицы порядка двухсот нанометров. Когда мы представили эту работу на конференции молодых ученых "Современные проблемы науки о полимерах" в прошлом году, мы получили много отзывов, в том числе о возможности использования этих частиц для внутривенного введения», — рассказывает Светлана Морозкина, соавтор исследования, сотрудник научно-исследовательского центра биоинженерии, доцент факультета прикладной оптики.

Светлана Морозкина
Светлана Морозкина

Пока что исследователи сосредоточены на разработке именно раневых покрытий, но подчеркивают, что технологию можно использовать в совершенно разных сферах применения — в том числе, для создания искусственных сосудов, а также в качестве каркаса для выращивания искусственных тканей и органов.     

Исследование осуществляется на средства грантов 5-100 и РФФИ для аспирантов — последний посвящен исследованию свойств волокнистых материалов на основе биополимеров. Но, как отмечают ученые, интерес к проекту проявляют и фармацевтические компании.

Сейчас исследование переходит во вторую стадию, которая подразумевает дорабатывание методики и технологии, а также подбор оптимальных условий окружающей среды, обеспечивающих получение нановолокон с заданным комплексом эксплуатационных свойств, в частности, пористостью.

Микрофотография волокон, полученных с использованием оптического микроскопа. Фото предоставлено авторами статьи
Микрофотография волокон, полученных с использованием оптического микроскопа. Фото предоставлено авторами статьи

При этом в фокусе ученых будет и возможность масштабирования технологии для промышленного производства. Далее начнется этап исследований in vitro — сначала на клеточных, а потом уже и на животных моделях. На завершение всех работ по проекту и его подготовке для внедрения в клиническую практику авторы проекта закладывают два года.

«В дальнейшем планируется, естественно, расширить наше исследование: провести анализ физико-механических характеристик, анализ кинетики высвобождения активных веществ. Важно добиться стабильности: если мы говорим о раневых повязках, то они должны работать в любых, даже самых тяжелых условиях окружающей среды, в том числе в условиях военных действий. Дополнительным направлением исследования станет введение других биологически активных веществ, поскольку стратегия загрузки гидрофобных агентов в матрицу из гидрофильного полимера уже создана и отработана», — заключает Петр Снетков.

Статья: Petr Snetkov, Svetlana Morozkina, Roman Olekhnovich,Thi Hong Nhung Vu, Maria Tyanutova, Mayya Uspenskaya. Curcumin/Usnic Acid-Loaded Electrospun Nanofibers Based on Hyaluronic Acid. Materials 2020, 13(16), 3476; https://doi.org/10.3390/ma13163476

Перейти к содержанию