РЫНКИ
А
В NASA разработывают аэрогели, армированные полимерами, для космических применений. Они отличаются высокой прочностью и могут быть полупрозрачными.
Промышленные аппараты высокого давления для проведения процесса сверхкритической сушки
А — Высокоэффективный теплоизоляционный материал на основе аэрогеля. B — Изображение СЭМ (сканирующая электронная микроскопия) аэрогеля на основе диоксида кремния с внедренными углеродными нанотрубками. С — Изображение СЭМ аэрогеля на основе хитозана. D — Изображение СЭМ аэрогеля на основе диоксида кремния сверхнизкой плотности (исследования РХТУ им. Д.И. Менделеева и Госкорпорации Росатом.
Подушка для райдера на сиденье велосипеда с использованием аэрогеля. Магазин Walmart.
В
С
Супертеплая перчатка. Аэрогели широко применяются для изготовления спортивной одежды.
D The Chemical Journal Сентябрь 2019
39
СкСО2 ДЛЯ МЕДИЦИНЫ Применение сверхкритического углекислого газа позволило на новом уровне решить задачи фармацевтики и медицины. Петр Тимашев, д.х.н., директор Научно-технологического парка биомедицины Первого МГМУ им. Сеченова Анна Соловьева, д.х.н., заведующая лабораторией модифицированных полимерных систем ФИЦ химической физики РАН
С
верхкритический углекислый газ (скСО2) открывает широкое окно возможностей, связанных с процессом создания лекарственных препаратов, медицинских изделий, а также удаления (экстракции) токсичных примесей или микроорганизмов из обрабатываемого сырья. Основной особенностью среды скСО2 является достижение характерной для жидкостей плотности и высокой подвижности молекул целевых компонентов и их агрегатов, свойственной газам, в результате чего происходит исчезновение границы раздела фаз жидкость/газ и, как следствие, 40
поверхностного натяжения на этих межфазных границах, обычно ограничивающего подвижность целевых компонентов. В этих условиях реализуется эффективный массоперенос, что делает среду скСО2 как эффективным растворителем ряда неполярных соединений, так и удобной транспортной средой для белков и наночастиц. Растворимость многих соединений в СО2 меняется в зависимости от концентрации, что делает возможным проведение процессов направленной экстракции. На протяжении многих лет технологии, основанные на применении среды скСО 2, успешно находят применение в фармацевтике и медицине.
Так, например, методом сверхкритической экстракции традиционно получают экстракты из натурального сырья, которые используются в качестве лекарств.
Оценка содержания препарата Сверхкритическая флюидная хроматография демонстрирует свою эффективность при количественном получении лекарственных препаратов — нестероидных противовоспалительных препаратов (кетопрофен, фенилбутазон), спазмолитиков (мебеверин), антикоагулянтов (варфарин), Сентябрь 2019 The Chemical Journal
© vitaliset.com
ИННОВАЦИИ
© 2016, Elsevier
ИННОВАЦИИ
Рис. 1. Имрегнация ацетата целлюлозы ибупрофеном в количестве 10 мас.% при 250 бар и 35 °С, с концентрацией полимера а–б) 5 мас.%, в) 10 мас. %, d) 15 мас. %, е) 20 мас. %. бета-адреноблокаторов (пропранолол, пиндолол), цитостатиков (цитарабин), эндогенных компонентов (холестерол, метаболиты эстрогена) и токсических веществ (метаболиты стирола) в биологических жидкостях, таких как сыворотка крови, моча и ликвор.
физико-химическими свойствами. Так был разработан способ микронизации тербуталина, препарата бронхолитического действия, применяемого в клинической практике для лечения пациентов с обструктивными заболеваниями легких. Процесс проводился в скСО2 реакторе при давлении 9,5 МПа и темФерментация, пературе 82 °C, где при обработке смеобезжиривание, осаждение си вода – тербуталин уровень микронизации тербуталина достигал более 90% Разработаны способы сверхкритиче- масс. При этом размеры формируемых ской экстракции продуктов микробной частиц тербуталина варьировали в инферментации, повышения активности тервалах от 1 до 3 мкм, что позволяло ферментов в среде скСО2 и обезжири- повышать биодоступности препарата вания костных масс. в глубоких отделах бронхов и легких. Создан оригинальный метод осаждения человеческого иммуноглобу- Импрегнация полимерной лина в среде скСО2 путем добавления матрицы 0,44% водного раствора этанола. Одним из направлений развития фарМикронизация препаратов мации является разработка систем доставки и контролируемого высвоСреда скСО2 активно используется для бождения лекарственных средств задач наномедицины, основными це- путем создания однородно наполненлями в этом направлении является ных активным компонентом микроформирование нано- и микрочастиц и макрочастиц. на основе полимеров с контролиВозможности среды скСО2 руемой морфологией и заданными в позволяют осуществлять процесс The Chemical Journal Сентябрь 2019
импрегнации полимера активным компонентом, избегая как нагрева матрицы, так и процедуры удаления остатков органических растворителей, которые обычно используются для синтеза. Например, было разработано лечебное раневое покрытие на основе производного хитозана с добавлением противовоспалительных и противомикробных флавоноидов, в частности кверцитина и тимола. В биополимер — ацетат целлюлозы — был введен ибупрофен в количестве от 5 до 20 мас. % (рис. 1). Также с целью снижения воспалительного ответа была произведена импрегнация биодеградируемого двойного J-образного уретрального стента на основе альгината и геллановой камеди кетопрофеном. Это позволило добиться высвобождения препарата в течение 72 часов, что соответствует времени, необходимому для снятия болевого синдрома. Определенные надежды связываются с лечением рака уротелия верхних мочевых путей при использовании альгинатного стента, импрегнированного в среде СО2 противораковыми препаратами. 41
ИННОВАЦИИ Тканевой ответ, восстановление и регенерация.
Дополнение для восстановления ткани
Ответ ткани
Восстановление ткани
Цикл работ в области разработки биоматериалов и медицинских изделий показал потенциальную возможность наполнения матриц препаратами различных групп, таких как антибиотики (ципрофлоксацин), противовоспалительные препараты (дексаметазон, ибупрофен, кетопрофен, индометацин), бета-адреноблокаторы (тимолол).
Тканевая инженерия
Пересаженные НСК Стимулирование эндогенной регенерации
Замещение экзогенной ткани
Ответ ткани ECMгидрогель
Трансплантированные НСК + ЭК
Тканевой ответ, восстановление и регенерация. А. После острой травмы головного мозга (например, инсульта) астроциты и микроглия активизируются для осуществления ответа на повреждение ткани, в ядре которого происходит разрушение как клеток, так и внеклеточного матрикса, приводящее к формированию полости. Глиальный рубец выполняет роль структурной поддержки и предотвращает проникновение нейротоксичной жидкости в периинфарктную ткань. Дополнительно к тканевому ответу головной мозг запускает репаративные процессы, включающие усиление нейрогенеза в субвентрикулярной зоне. В. Для обеспечения эндогенного восстановления в поврежденную ткань могут быть трансплантированы нейрональные стволовые клетки (НСК), которые дифференцируются и интегрируются в ткань, а также стимулируют локальные процессы ангиогенеза для улучшения кровоснабжения плохо перфузируемых тканей (Smith et al., 2012). С. В отличие от трансплантации клеток имплантация скаффолдов из внеклеточного матрикса обеспечивает восстановление ткани внутри полости за счет мигрирующих эндогенных клеток (Ghuman et al., 2018). D. В качестве альтернативного подхода к регенерации ткани с использованием индуктивных скаффолдов можно рассмотреть имплантацию совместной культуры НСК и эндотелиальных клеток, которые спонтанно формируют васкулярные и нейропильные фрагменты, потенциально ускоряющие процесс восстановления и не ограниченные «запасом» эндогенных клеток (Nicholls et al., 2015).
42
Нельзя не отметить текущий тренд использования среды скСО2 для работ в области тканевой инженерии и регенеративной медицины. Основной задачей этих работ является формирование биосовместимых матриц для последующего замещения утраченных органов и тканей. СкСО2 является эффективной средой для проведения процессов экстракции клеточных компонентов (или процесса децеллюляризации) из тканей различной природы, в частности, ксеногенного происхождения как наиболее перспективного ресурса для массового производства имплантатов. Проведение такого процесса в среде скСО2, в том числе, предполагает дополнительную обработку биоматериала с использованием ряда химических агентов, физических и биологических методик, что позволяет добиться удаления клеток из ткани и, соответственно, существенного снижения иммуногенности тканеинженерной конструкции. Формируемая в результате проведения процесса децеллюляризации матрица представлена внеклеточным матриксом, являясь естественным структурным компонентом биоткани, способна стимулировать регенерацию поврежденных тканей. Использование среды скСО2 для процесса децеллюляризации тканей млекопитающих демонстрирует высокую экстрагирующую способность, что позволяет максимально удалить клеточный компонент из ткани, сохраняя при этом структурную целостность внеклеточного матрикса, потенцирует действие других децеллюляризующих агентов, а также обладает стерилизующим эффектом. Первые сообщения об использовании скСО2 в качестве среды для децеллюляризации тканей млекопитающих появились в 2008 г. Авторы этих сообщений предложили методику децеллюляризации свиной аорты в среде скСО2 при 15 МПa и 37°C в сочетании с этиловым спиртом в качестве сорастворителя. Рост патологии клапанного аппарата сердца, а также отсутствие Сентябрь 2019 The Chemical Journal
ИННОВАЦИИ оптимальных замещающих протезов указывают на необходимость создания искусственного клапана сердца. В одном из исследований децеллюляризированные 1% додецилсульфата натрия и стерилизованные скСО2 свиные аортальные клапаны были имплантированы в правый выносящий желудочковый тракт овцы на 5 месяцев. По данным инструментальных исследований отмечалась умеренная недостаточность клапанных трансплантатов, однако гемодинамические показатели оставались нормальными. Гистологические исследования экс- Децеллюляризированные и стерилизованные скСО2 свиные аортальные клапаны были плантатов выявили наличие рецел- трансплантированы in vivo. Исследования показали, что гемодинамические показатели люляризации клетками реципиента реципиента после трансплантации сохранились в норме. и эпителизацию поверхностных слоев имплантата без признаков лимфоплазмоцитарной инфильтрации. В одной из работ сообща лось о результатах имплантации кроликам свиной роговицы, децеллюляризированной с использованием среды скСО2 . Послеоперационный период протекал без осложнений, у животных не было выявлено иммунологических реакций, признаков отторжения или деградации трансплантата. Через полгода после имплантации роговица содержала клетки, характерные для здоровой ткани. Полученные результаты позволяют предположить, что обработка в среде скСО2 может успешно применяться в формировании биоэквивалента роговицы.
Создание пористых структур Исследования в области разработки матриц для реконструкции костной ткани так же вовлекают сверхкритические флюидные технологии. Вспенивание в среде скСО 2 позволяет формировать пористые структуры даже для хрупких материалов, таких как биоактивные стекла и керамика. Так, обработка смеси полилактида и гидроксиапатита при массовом соотношении компонентов 8:2 в среде скСО2 в течение 30 минут при давлении 20 МПа и 37°С позволила добиться оптимальных показателей пористости и механических свойств. Указанный материал может быть востребован в качестве костнозамещающего наполнителя.
Стерилизатор NovaSterilis (США), обрабатывающий поверхности с помощью сверкритического CO2. Выпуск ведется с 2001 года.
медицинских изделий с помощью среды скСО2. Обработка биоматериалов по предложенной технологии предполагает использование фирменной добавки, содержащей смесь надуксусной кислоты и пероксида водорода. Рабочая концентрация надуксусной кислоты и пероксида водорода в камере реактора не должна при этом превышать 0,002% и 0,0006% соответственно, чтобы можно было снизить концентрацию надуксусной кислоты в 150 раз по сравнению со стандартным протоколом стерилизации. Технология гарантирует достижение Стерилизация уровня стерильности, соответствующего стандартам медицинских изделий В 2001 году в США была основа- (ISO 11137-2:2011). на компания NovaSterilis, разрабатыЗа 10 лет компания выпустила вающая технологию стерилизации 3 модели стерилизационных установок The Chemical Journal Сентябрь 2019
и анонсировала выпуск серии установок для лабораторных нужд в конце 2018 года.
Преимущества Среда скСО2 в настоящее время успешно применяется в медицине и фармацевтике. СкСО2 позволяет объединить несколько задач в единый экологичный технологический процесс, снижающий энергетическ ие затраты и повышающий экономическую эффективность процесса. Возможность синергетического эффекта при воздействии среды скСО2 на материал, а также преимущества такого воздействия — настраиваемость свойств среды скСО2, отсутствие токсичности и другие — определяют интерес к исследованиям в этой области. 43