Технология получения углеродного сорбента для медицинских целей Лузянина Людмила Семеновна

Введение к работе

Актуальность темы. Применение углеродных сорбентов в медицинских целях привело к созданию нового направления – сорбционной медицины, основанной на выведении токсических веществ из организма больных путем их сорбции на поверхности (Стрелко В.В., Лопухин Ю.М., Николаев В.Г.).

Адсорбционную емкость углеродных сорбентов, неспецифических по характеру сорбции, в первую очередь определяет пористая структура, соответствие размера пор и молекул адсорбируемого вещества (Терновой К.С.).

Классические технологии производства углеродных сорбентов на основе углеродсодержащего сырья формируют их полидисперсную структуру, представленную всеми разновидностями пор в различном соотношении для разных марок. Такая структура ограничивает эффективность применения сорбентов для лечения заболеваний, связанных с образованием и накоплением токсинов средней молекулярной массы (от 500 Да до 5000 Да), определяющих тяжесть их протекания.

Отсутствие в медицинской практике качественного углеродного сорбента мезопористой структуры, эффективного для сорбции и удаления из организма токсинов данной молекулярной массы, определило необходимость и актуальность его разработки.

Степень разработанности темы. Над проблемой создания сорбентов с однородной мезопористой структурой работали ученые разных стран (A.Vinu, M. Hartmann, О.Н. Ставинская, D.J. Malik). Однако практически ее удалось решить ученым ВНИИ технического углерода (с 2003 г. - ИППУ СО РАН), которые разработали основы синтеза и создали уникальную технологию матричного синтеза нового класса пористых углерод-углеродных композиционных материалов разного назначения (Суровикин В.Ф.).

Интерес к разработанным материалам вызван их высокой химической чистотой, механической прочностью гранул, однородной структурой, возможностью регулирования ее в процессе синтеза. Из данных материалов предполагалось выбрать в качестве основы для изготовления медицинских сорбентов гранулированный углеродный пористый материал с преимущественным содержанием мезопор, зарегистрированный под торговой маркой Сибунит^ТМ.

Данная работа выполнялась вначале во ВНИИТУ МНХП СССР по программе, тема 044. «Иммунология» (следуя Решению МНХП СССР и Президиума АН СССР № 76-ДСП/3 от 22.01.87 г.), Постановлению Правительства Российской Федерации от 28.05.1996 г. и Постановлению Президиума РАН от 13.01.1998 г. № 7 в рамках проблемы «Синтез и исследование новых высокоэффективных углеродных сорбентов медицинского назначения на основе угленефтепродуктов»; а затем в ИППУ СО РАН в рамках программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2007-2014 гг.: приоритетное направление «Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы»; программа «Научные основы создания новых материалов с заданными свойствами и функциями, в т.ч. высокочистых и наноматериалов»; проекты «Научные и технологические основы создания новых материалов на основе наноглобулярного углерода для наноиндустрии и медицины» (2014-2017 гг., 2018-2020 гг.).

Цель диссертационной работы : разработка технологии получения на основе углеродного материала Сибунит^ТМ качественного мезопористого углеродного сорбента для применения в медицинских целях.

Основные задачи исследования:

Изучить формируемые в процессе синтеза характеристики углеродного пористого материала Сибунит^ТМ (химическая чистота, текстура, физико-химические и прочностные характеристики); оценить их соответствие требованиям медицинских стандартов.

Разработать способы доведения характеристик углеродного материала Сибунит^ТМ, не соответствующих медицинским стандартам, до оптимального уровня их значений, требуемого для медицинских сорбентов. К таким характеристикам отнести: рН физиологического раствора (раствор натрия хлорида концентрацией 0,15 моль/дм³), контактирующего с гранулами углеродного материала; прочность гранул; содержание углеродной пыли на поверхности гранул; значение стационарного потенциала (СП) поверхности гранул.

Разработать опытную технологию получения углеродного сорбента в готовой для применения форме; определить условия сохранения достигнутых значений рН и СП сорбента.

Изготовить опытную партию медицинского сорбента; изучить его физико-химические и медико-биологические характеристики.

Определить перспективные области применения полученного по разработанной технологии углеродного сорбента (по результатам клинических испытаний).

Научная новизна

1. Впервые проведена оценка характеристик углеродного пористого материала Сибунит^ТМ, сформированных в процессе его синтеза, и установлена эффективность его применения в качестве основы для производства мезопористого углеродного сорбента с целью сорбции и выведения из организма веществ средней молекулярной массы. По химической чистоте (содержание углерода более 99 %), текстурным (не менее 80 % мезопор в суммарном объеме размером 40 нм 60 нм) и прочностным характеристикам (прочность отдельных гранул от 1 Н до 40 Н), форме (округлая) и размеру гранул (от 0,5 мм до 1,0 мм) выбранный материал соответствует требованиям медицинских стандартов.

2. Найдено, что гидромеханическая обработка углеродного материала в псевдоожиженном слое его характеристики, не соответствующие медицинским нормативам (присутствие пыли более 0,2 мг/г, значение рН 10 12 и стационарного потенциала не более 150 мВ), доводит до требуемых значений: полное отсутствие пыли на поверхности (менее 0,2 мг/г), значение рН от 6,0 до 6,8; значение стационарного потенциала поверхности не менее 250 мВ.

3. Установлена оптимальная величина прочности гранул материала для получения углеродного сорбента: от 10 Н до 20 Н, обеспечивающая продолжительность процесса гидромеханической обработки 8-10 ч при доведении его характеристик до медицинских нормативов.

Практическая значимость работы.

4. Разработана технология получения мезопористого углеродного сорбента медицинского назначения на основе материала Сибунит^ТМ. Создана и успешно прошла испытания опытная установка для обработки материала Сибунит^ТМ в псевдоожиженном слое. Получена опытная партия углеродного сорбента для медицины в количестве 60 кг.

5. Показано, что углеродный сорбент, изготовленный по разработанной

технологии, превосходит известные углеродные сорбенты медицинского назначения по гемосовместимости и адсорбционной активности по отношению к соединениям со средней молекулярной массой. По итогам клинических испытаний рекомендовано его применение при лечении заболеваний, протекающих с образованием и накоплением именно токсинов данной молекулярной массы.

Новизна работы подтверждена патентом (RU 2211727).

Методология и методы исследования. В диссертационной работе использованы теоретические обобщения современных знаний о качестве применяемых в медицине углеродных сорбентов, технологий их получения и способах достижения совместимости с биологическими средами организма. В рамках проведенных исследований использовались стандартные методы (ГОСТ, Государственной Фармакопеи Российской Федерации) и частные специальные: электронномикроскопические (микроскоп биологический Биолам М-1, ОАО «ЛОМО», РФ), спектрофотометрические (спектрофотометр CECIL 1021, “Cecil Instruments Limitid”, США; спектрометр IRPrestige-21, «Shimadzu», Япония), аналитические (экспресс-анализатор Gemini-2380, «Micromeritics», США) методы исследования.

Положения, выносимые на защиту:

6. Обоснование применения углеродного гранулированного материала Сибунит^ТМ в качестве матрицы для получения медицинского мезопористого сорбента.

7. Обоснование гидромеханического метода доведения рН матрицы, «обеспылевания» поверхности гранул и ее стационарного потенциала до принятых для медицинских сорбентов нормативов.

8. Механизмы протекающих с участием гранул углеродной матрицы, воздуха и воды процессов, формирующих свойства медицинского сорбента (физико-химические, прочностные, медико-биологические).

9. Технология получения мезопористого углеродного сорбента медицинского назначения.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов обеспечена не противоречащими между собой экспериментальными данными.

Личный вклад автора: планирование, выбор направлений и проведение экспериментальных исследований по разработке основ технологии получения гранулированных мезопористых медицинских углеродных сорбентов; определение значений технологических параметров проводимых операций и их влияния на характеристики матрицы.

Апробация работы.

10. Результаты работы представлены в материалах конференций, всероссийских симпозиумах 1999-2015 гг.; в виде 5 публикаций; 6 патентов.

11. Созданы нормативные документы:

Технические условия ТУ 38 41515 - 92 «Гемосорбент углеродный ВНИИТУ-1» (ныне ТУ 9398-002-71069834-2004 «Гемосорбент углеродный в физиологическом растворе стерильный ВНИИТУ-1»);

Инструкция по применению гемосорбента углеродного ВНИИТУ-1;

3. Технологический регламент производства гемосорбента ВНИИТУ-1 РВПП
№ 04-8-91 (ныне ПР 00152170-003-01).

4. Проведены квалификационные испытания опытных партий углеродного
гемосорбента с участием представителя Всесоюзного научно-исследовательского и
испытательного института медицинской техники (ВНИИИМТ, г. Москва) (акт от
14.01.1993 г.).

5. Реализация гемосорбента углеродного ВНИИТУ-1 в клиники Москвы
(больница № 52, НИИ СП им. Н.В. Склифосовского и др.), Омска (городская
больница скорой медицинской помощи, кожно-венерологический диспансер),
Новосибирска (областная клиническая, институт патологии кровообращения), С-
Петербурга (городская больница № 15), Краснодара, Екатеринбурга, Перми, Вологды
и других городов.

Публикации. Материалы диссертации изложены в 5 печатных работах, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертации и входящих в перечень Scopus; 6 патентов РФ, тезисов докладов на конференциях различного уровня.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Материалы диссертации

изложены на 141 страницах и включают 30 таблиц, 26 рисунков, приложение; библиографический список включает 159 наименований, в том числе 38 на иностранном языке.