XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Создание дезинфицирующего и кровопоглащающего средства из аэрогеля

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бурданова А.Ю. 1

---

1ЧОУ-гимназия Московская экономическая школа

Колесникова Ю.В. 1

---

1ЧОУ-гимназия Московская экономическая школа

Работа в формате PDF

723 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность и обоснование выбора темы

Актуальность данного исследования обусловлена постоянной потребностью людей в эффективных средствах первой помощи. Главное, что нужно таким средствам — это быстро остановить кровь и продезинфицировать рану, чтобы не занести инфекцию. Но многие бинты и пластыри, которые есть в аптеках, обычно справляются только с чем-то одним, а это может быть опасно.

Поэтому сейчас ученые ищут новые способы решения этой проблемы. И перспективным вариантом кажутся аэрогели. Сам аэрогель — это собирательный термин, обозначающий группу материалов с выделяющимися для нас свойствами. Они обладают крайне низкой плотностью, так как содержат поры диаметром от 2 до 50 нм. Аэрогели похожи на твердую пену, состоящую из сети взаимосвязанных наноструктур, обладающую пористостью не менее 50%. Из-за этих свойств, в особенности из-за большой площади удельной поверхности, аэрогели эффективно впитывают всякую жидкость (например, кровь). А еще удельная поверхность является одним из важнейших параметров, контролирующих скорость растворения лекарственного средства, абсорбированного в поры аэрогеля.

В своей работе я хочу создать подобный прототип на основе биополимера пектина и проверить его эффективность. Так же я выбрала эту тему из-за личного интереса и стремления поработать с подобными инновационными материалами, как аэрогели

Цель и задачи работы

Цель: изучить возможность использования аэрогеля как основы для кровопоглащающего и дезинфицирующего средства, и экспериментально подтвердить его эффективность.

Задачи:

1. Изучить литературу про инновационные материалы аэрогелей и их применение в медицине.

2. Подобрать доступные материалы для эксперимента, метод загрузки лекарства в аэрогель.

3. Разработать и провести эксперименты по оценке дезинфицирующей и крововпитывающей способностей полученных образцов.

4. Проанализировать полученные данные и сделать вывод об эффективности разработанного материала.

Гипотеза: я думаю, что аэрогель на основе биополимера пектина, благодаря своей высокопористой структуре, эффективно впитает жидкость, а также выступит в качестве структуры для хранения хлоргексидина и последующего его высвобождения. Таким образом, проявляя крововпитывающие и дезинфицирующие свойства.

Часть 1. Методика выполнения работы.

Использованное оборудование и материалы: Весы аналитические, магнитная мешалка (?), пипетки, чашки Петри, ватные палочки, колбы, мерный стакан, пинцет, кухонная доска, скальпель, аэрогели из пектина, бактерии с дверных ручек (и подобных поверхностей), агар-агар, хлоргексидин (0,05% водный раствор)

Обоснование выбора материалов и методов.

1. Выбор основы для аэрогеля: Аэрогели могут быть изготовлены из самых разных материалов, что разделяет их на органические (органические полимеры, биологические полимеры, углеродные нанотрубки) и неорганические (оксид кремния, оксиды металлов, полупроводниковые наноструктуры, металлы).

В то время как неорганические аэрогели используются в различных отраслях промышленности, таких как строительство, космическая промышленность и другие, органические аэрогели нашли применение в медицине. Органические аэрогели на основе биоматериалов нетоксичны для человека и биосовместимы, поэтому активно используются в медицине.

Как я уже сказала, в качестве материалов для формирования этого типа аэрогелей чаще всего используются полисахариды. А аэрогели на основе полисахаридов обладают высокой пористостью (90–99%), относительно низкой плотностью 0,07–0,46 г/см³ и большой удельной поверхностью (до 680 м²/г). Особый интерес для исследователей представляет класс биополимерных аэрогелей, к которым относятся альгинатные и пектиновые аэрогели, а также аэрогели на основе геллановой камеди. Их главной отличительной особенностью является хорошая растворимость в воде, биосовместимость и биоразлагаемость, что делает эти материалы перспективными для применения в медицине и фармацевтической промышленности.

Р ассматриваемым органическим аэрогелем является пектиновый аэрогель. Пектин — это природный полисахарид, состоящий в основном из галактуроновой кислоты (производного глюкозы), образующей длинные цепи. Литературные данные указывают на то, что биоактивный пектин и пектиновые композиты обладают улучшенными характеристиками для доставки активных молекул. Кроме того, пектиновые полимеры служат основой для регенерации: они стимулируют рост клеток и способствуют быстрому заживлению тканей. Поскольку полисахарид является полярными соединением из-за наличия карбоксильных и гидроксильных групп, я могу предположить, что он будет обладать хорошей абсорбционной способностью.

Рисунок 1. Молекулярная структура пектина.

Это свойство может быть важным в процессах загрузки лекарственных препаратов в структуру аэрогеля с последующим созданием лекарственной системы.

Я не могла исследовать разные аэрогели, из-за их высокой стоимости, но в школе мне предоставилась возможность поработать именно с пектиновым аэрогелем.

2. Выбор лекарства: среди распространённых антисептиков (йод, перекись водорода, серебро, хлоргексидин) я выбрала хлоргексидина биглюконат. Он эффективен против большинства бактерий. Хлоргексидин обладает свойством оставаться на коже и слизистых, обеспечивая длительную защиту, что идеально для перевязочного материала. В отличие от перекиси водорода, он стабилен при хранении. При низких концентрациях (0.05–0.1%) он хорошо переносится тканями, не вызывая сильного жжения, в отличие от спиртовых растворов йода.

А нтисептики — средства, используемые для воздействия на патогенные микроорганизмы на поверхности тела человека (кожа, слизистые), в ранах и соприкасающимися с ними тканях. Они обладают сильным противомикробным действием, не должны оказывать раздражающего или повреждающего влияния на ткани или задерживать процессы регенерации. Существует классификация дезинфицирующих и антисептических средств, делящаяся на три основные группы: Галогеносодержащие препараты, окислители и детергенты. Галогеносодержащие препараты действуют за счет высвобождения активного хлора или йода, которые окисляют белки микроорганизмов. Окислители выделяют активный кислород, разрушающий структуру органических веществ. Детергенты снижают поверхностное натяжение, нарушают проницаемость клеточных мембран бактерий, что ведет к их гибели.

Детергенты делятся на анионные и катионные. Анионные детергенты (мыло зеленое и др виды мыла) при растворении образуют отрицательно заряженые частицы (анионы), которые снижают поверхностное натяжение мембран бактерий и разрушают их белки, что ведет к гибели микробов. Катионные детергенты (хлоргексидин, дегмицид, церигель, этоний) взаимодействуют с карбоксильными группами аминокислот и мукополисахаридами бактериальной стенки. Они легко диссоциируют с образованием больших и сложных катионов. Они притягиваются к бактериальной стенке, связываясь с её компонентами (карбоксильными группами и мукополисахаридами), и разрушают защиту бактерии.

Х лоргексидин (C₂₂H₃₀Cl₂N₁₀) выбран благодаря своим свойствам катионного детергента: он легко диссоциирует в водных растворах с образованием крупных катионов, которые взаимодействуют с карбоксильными группами аминокислот и мукополисахаридами бактериальной стенки, нарушая её целостность. Это обеспечивает широкое антибактериальное и фунгицидное действие. Растворимость в воде низкая: 0,8 г/л (0,08%) при 20°C. В медицине используют хорошо растворимую соль — хлоргексидина биглюконат. Низкая растворимостьспособствует осаждению и удержанию в порах при высыхании. Хлоргексидин задерживается в порах аэрогеля так как катионыхлоргексидина притягиваются к отрицательно заряженным стенкам аэрогеля. Хлоргексидин связывается с карбоксильными группами пектина по механизму, аналогичному ионам кальция, но образует дополнительные межмолекулярные связи, что обеспечивает более прочное удержание, чем у двухвалентных металлов.

Он эффективен для обработки рук хирурга, операционного поля, ран, ожогов, а также для стерилизации инструментов. Кроме того, хлоргексидин относится к антисептикам пролонгированного многофункционального действия, что особенно важно для ранней профилактики инфекции в хирургии, когда микроорганизмы ещё не проникли глубоко в ткани.

3. Выбор метода загрузки лекарства: существуют сложные методы иммобилизации лекарств (ковалентное иммобилизация, инкапсуляция). Я же выбрала самый простой способ — адсорбционную загрузку (пропитку) уже сформированного пектинового геля. Это позволяет избежать сложных химических реакций, которые могли бы разрушить нежную гелевую структуру. Метод заключается в том, что готовый гидрогель помещается в раствор антисептика, и молекулы хлоргексидина самостоятельно проникают в поры и удерживаются там за счёт физико-химических взаимодействий. Этот метод легко воспроизвести даже в школьной лаборатории.

Схема 1. Загрузка веществ в полимерные матрицы на этапах получения аэрогеля А-С, методом сверхкритической абсорбции D, методом абсорбции из раствора E.

В рамках данной работы были рассмотрены различные методы загрузки веществ в полимеры, включая загрузку на стадии получения аэрогелей, сверхкритическую абсорбцию и абсорбцию из раствора (схема 1).

Первый метод основан на загрузке веществ путем их добавления к исходным реагентам, раствору или растворителям, используемым при формировании гидрогеля и производстве аэрогеля. Другой метод включает процесс абсорбции вещества в поры аэрогеля с использованием сверхкритического диоксида углерода в реакторе под высоким давлением.

Первый и второй методы были отклонены из-за сложности процесса производства аэрогеля и отсутствия надлежащего оборудования и химических реагентов. Таким образом, внимание было уделено третьему методу.

Этот метод основан на загрузке химических веществ путем погружения готового аэрогеля в раствор с веществом, которое абсорбируется в поры за счет сил молекулярной диффузии. Простота его реализации была важным фактором при выборе метода.

4. Выбор методов анализа эффективности: для анализа антибактериальной эффективности получившихся пектиновых аэрогелей с хлоргексидином был выбран метод диффузии в агар-агар. Этот подход широко используется для первичной оценки бактериальной активности и не требует сложного дорогостоящего оборудования. Суть метода заключается в том, что образцы помещают на поверхность агар-агара (уже в чашках петри), с предварительно помещенной нее различных культур микроорганизмов. За счет диффузии хлоргексидина из аэрогеля в агар формируются зоны задержки роста, диаметр которых прямо пропорционален антибактериальной активности образца. В качестве количественного показателя выбрано измерение диаметра зон роста образовавшейся плесени с применением формул площадей, что обеспечивает наглядность и подсчет результатов. Данный метод позволяет сравнивать эффективность различных образцов между собой и оценивать действительность активности антисептика после иммобилизации в аэрогель.

Для оценки кровопоглащающего потенциала (способности впитывать кровь) я решила измерять, сколько жидкости может впитать образец. Метод заключается во взвешивании сухого образца, последующем его помещении в жидкость на заданное время и повторном взвешивании. Разница масс позволяет точно рассчитать количество поглощенной жидкости в граммах на грамм образца (г/г). Выбор этого метода обусловлен его простотой, точностью и информативностью: способность материала быстро впитывать кровь напрямую связана с его кровоостанавливающим потенциалом, так как удаление жидкой части крови сосредоточивает факторы свертывания крови прямо в ране. Кроме того, подобный анализ не требует сложного оборудования и может быть выполнен на стандартных аналитических весах.

Оба метода были выбраны как оптимальные для данной работы, поскольку они позволяют получить количественные результаты, не требуют сложной пробоподготовки и дорогостоящих реактивов, что соответствует условиям выполнения исследования и позволяет достоверно оценить заявленные свойства разработанных материалов.

Часть 2. Методика выполнения эксперимента

План проведения эксперимента по загрузке лекарственного препарата:

1. Взять шесть одинаковых чашек Петри. На крышке каждой подписать номер аэрогеля, который будет в нее загружен (1,2,3,4,5,6)

2. Налить 30 грамм 0.05% раствора хлоргексидина в шесть одинаковых чашек Петри.

3. Разрезать аэрогели на 6 одинаковых кусочков с помощью скальпеля на доске.

4. Взвесить каждый из кусочков на весах и записать результаты.

5. Поместить каждый из кусочков в чашки петри с их номерами.

• кусочек 1 поместить в раствор на 2 часа 

• кусочек 2 поместить в раствор на 5 часов

• кусочек 3 поместить в раствор на 7 часов

• кусочек 4 поместить в раствор на 19 часов

• кусочек 5 поместить в раствор на 25часов

• кусочек 6 поместить в раствор на 48 часов

6. Аккуратно извлечь образцы и оставить на фильтровальной бумаге для просушки при комнатной температуре.

7. Взвесить все образцы на весах и записать результаты.

8. Далее были сделаны вычисления из предположения, что молекулы воды и хлоргексидина равномерно (вне зависимости от размера молекул) проникали в поры аэрогеля. Расчеты по определению количество (в моль) хлоргексидина, загруженного в образец.

Интервалы времени были выбраны, основываясь на двух факторах: основываясь на информации из статей указывающих на то, что наиболее эффективное насыщение и равновесное распределение антисептика в пористой структуре аэрогеля достигается именно в эти периоды, предотвращая разрушение хрупкого каркаса.  А также из-за того, что я делала эксперимент в школе, поэтому временные интервалы связаны с расписанием уроков и работы школы.

Р езультаты эксперимента по загрузке лекарственного препарата (таблица1)

*Последний образец был тестовым.

Пример вычислений: (48 часов наполнения)

1. Находим массу поглощенного раствора (Разность масс после и до наполнения):

mп=1,083−0,342=0,741г

Так как плотность ≈ 1 г/мл, это соответствует объему 0,741 мл

2. Рассчитываем массу хлоргексидина в этом объеме:

Сначала определим, сколько грамм хлоргексидина содержится в 1 литре (1000 мл) раствора с концентрацией 0,05 (моль/л):

0,05 (моль/л) × 505 (г/моль) = 25,25 (г/л)

Это означает, что в 1 мл раствора содержится:

25,25/1000 = 0,02525 (г/мл)

Тогда масса хлоргексидина в 0,741 мл:

M(хл)=0,02525 × 0,741 = 0,01871 г

3. Вычисляем количество вещества (моли)

n = m(хл)/M = 0,01871/505 = 3,71 × 10⁻⁵моль

(Для точности было бы хорошо найти другой метод определения хлоргексидина при загрузке, например титрование, но я не могла этого сделать в силу сложности метода)

Результаты эксперимента продемонстрировали зависимость между временем загрузки аэрогеля и количеством хлоргексидина, загруженного в него. С увеличением времени удержания в растворе абсорбционная способность аэрогеля возрастала.

Это значит, что пористая структура материала эффективно работает как материал для насыщения лекарством. Химически загруженные вещества так же не изменяются в процессе абсорбции, что позволяет считать этот процесс безопасным с точки зрения фармацевтического применения. Наибольшая впитываемость была достигнута при максимальном времени загрузки (48 часов), что опять же указывает на возможность управления свойствами конечного продукта через время пропитки.

Теперь я продемонстрирую доказательства эффективности антибактериального действия.

Часть 3 Антибактериальный тест

План проведения антибактериального теста:

1. Приготовление агара: растворить агар-агар в горячей воде по инструкции, дать немного остыть.

2. Взять шесть одинаковых чашек Петри. На крышке каждой подписать номер аэрогеля, который будет в нее загружен (1,2,3,4,5,6).

3. Разлить жидкий агар в 6 чашек Петри (ровным слоем около 5 мм). Дать полностью застыть.

4. Стерильной ватной палочкой собрать бактерии с дверных ручек подобных различных поверхностей.

5. Аккуратно и равномерно провести ватной палочкой по поверхности агара в каждой чашке.

6. С помощью стерильного пинцета разложить аэрогели в нужные номера чашек петри на поверхность агар-агара.

7. Закрыть все чашки, закрепить крышки скотчем. Поместить в пластиковый контейнер.

8. Перенести контейнер в школьную теплицу. Температура должна поддерживаться около 37°C, влажность — 70%.

9. Через 9-14 дней достать экземпляры и зафиксировать получившиеся результаты.

Результаты моего эксперимента в таблице 2.

Таблица 2 по результатам антибактериального эксперимента. [см. полную в приложении 2]

Анализ чашек Петри после эксперимента показал прямую зависимость между временем загрузки аэрогеля хлоргексидином (концентрация хлоргексидина) и его эффективностью.

О бразцы 1 и 2 (2 и 5 часов загрузки) показали минимальный эффект. Наблюдался плотный рост разнообразных организмов, включая плесневые грибы рода Penicillium и Asperigillus. Видно и более темные колонии- активно размножающиеся, и более бледные колонии – молодые. Это указывает на недостаточную концентрацию антисептика для подавления роста инфекции.

• Образцы 3, 4 и 5 (19, 30 и 48 часов загрузки) продемонстрировали выраженный антибактериальный эффект. Вокруг них сформировались чёткие зоны ингибирования, где рост бактерий был подавлен. Виднеется небольшое количество бледных, молодых колоний. Размер и чёткость зоны не сильно изменялись с ростом времени загрузки.

С помощью данного эксперимента, мы можем понять, что аэрогель успешно выполняет функцию носителя для лекарства. Все выбранные методы доказали свою эффективность. Для лучшего эффекта необходимо время загрузки аэрогеля в лекарстве около 19 часов.

Вывод В ходе выполнения работы была предпринята попытка создания прототипа средства на основе пектинового аэрогеля, пропитанного хлоргексидином. Экспериментально подтверждена его эффективность и как дезинфицирующего, и как крововпитывающего средства. Доказано, что выбранный биополимер пектина способен выступать в роли носителя для лекарственного препарата.

Анализ зависимости сорбционной способности от времени пропитки (таблица 2) показал, что с увеличением длительности загрузки масса поглощенного раствора и, соответственно, количество действующего вещества в образце возрастают. Максимальные значения были зафиксированы при времени выдержки 48 часов (0,01871 г хлоргексидина), однако уже после 19–25 часов достигается практически одинаковый уровень насыщения (зависимость может быть описана уравнением y = 0,0315x + 2,1204). Это указывает на высокую пористость и удельную поверхность пектинового аэрогеля, которые обеспечивают эффективную адсорбцию молекул антисептика в него самого.

Результаты антибактериального теста (таблица 3) демонстрируют прямую связь между количеством загруженного хлоргексидина и биологической активностью материала. Образцы с малым временем пропитки (3 и 5 часов) практически не подавляли рост микроорганизмов: наблюдалось активное развитие колоний плесневых грибов родов Penicillium и Aspergillus. А образцы, пропитанные в течение 19, 30 и 48 часов, сформировали чёткие и обширные зоны ингибирования (от 7,54 до 13,12 см²), что показывает достаточную концентрацию антисептика для подавления бактерий.

Моя гипотеза подтвердилась: аэрогель эффективно впитывает жидкость (имитатор крови) и удерживает хлоргексидин, обеспечивая его последующее высвобождение. Оптимальным временем загрузки для достижения выраженного антибактериального эффекта можно считать 19 часов, так как дальнейшее увеличение времени не приводит к пропорциональному росту эффективности.

Для повышения точности эксперимента, можно, например, точнее измерить количество загруженного хлоргексидина, используя более сложные методы, возможно титрование, что позволит отказаться от предположения о равномерном распределении вещества и плотности раствора. Также перспективным направлением является исследование высвобождения антисептика из аэрогеля в жидкую среду. Применение методов сверхкритической загрузки могло бы увеличить эффективность внедрения молекул в нанопоры и сократить время насыщения. Так же, мой образец с максимальным временем загрузки (48 часов) показал несколько меньшую зону подавления (13,12 см²) по сравнению с 19-часовым, что может быть связано с каким-то блокированием пор или изменением характера высвобождения вещества, однако его эффективность остаётся высокой.

Проведенная работа демонстрирует высокий потенциал использования пектиновых аэрогелей в качестве основы для современных медицинских материалов. Полученные результаты могут быть полезны для дальнейшего развития области создания инновационных средств первой помощи.

Список литературы:

1. Aerogel.org. «Что такое аэрогель?». http://www.aerogel.org/?p=3. (дата обращения: 08.06.24).

2. Цзуо Л., Чжан Ю., Чжан Л., Мяо Ю., Фань В., Лю Т. «Гибридные аэрогели на основе полимеров и углерода: получение, свойства и применение». Материалы 8, № 10 (9 октября 2015): 6806–48. https://doi.org/10.3390/ma8105343. (дата обращения: 08.06.24).

3. «Аэрогели — современные системы доставки лекарств», n.d. https://cyberleninka.ru/article/n/aerogeli-sovremennye-sistemy-dostavki-lekarstv/viewer. (дата обращения: 10.06.24).

4. Ловская Дарья Дмитриевна. «Процессы получения органических аэрогелей на основе альгината натрия и композиций на их основе» (диссертация). https://diss.muctr.ru/media/dissertations/2017/09/final_LovskayaDD_Diss.pdf (дата обращения: 04.06.24).

5. Султана Н. «Биологические свойства и биомедицинское применение пектина и композитов на основе пектина: обзор». Molecules 28, № 24 (6 декабря 2023): 7974. https://doi.org/10.3390/molecules28247974. (дата обращения: 12.10.24). 4514. https://doi.org/10.3390/molecules24244514. (дата обращения: 19.11.24).

6. Лебедев А. Е. «Моделирование и масштабирование процессов получения аэрогелей и функциональных материалов на их основе» (диссертация). https://diss.muctr.ru/media/dissertations/2015/06/diss_LebedevAE.pdf (дата обращения: 21.11.24).

7. Science Direct. «Аэрогели в доставке лекарств: от дизайна до применения». https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168365921000754. (дата обращения: 24.09.24).

8. Берг А., Дроге М. В., Феллманн Д. Д. и др. «Медицинское использование органических аэрогелей и биоразлагаемых органических аэрогелей» (GE Healthcare AS, 1996. (дата обращения: 21.10.24).

Приложение:

1. Приложение 1. График по итогам эксперимента в (график 1)

2. Приложение 2. Полная таблица 2 по результатам антибактериального эксперимента.