Адсорбционная и поглотительная способность сорбционного материала, включающего наноструктурный оксигидроксид алюминия

В связи с широким распространением лекарственноустойчивых форм бактерий перспективным научно-практическим направлением лечения инфицированных ран является создание и внедрение в медицинскую практику сорбционно-активных перевязочных материалов [1]. Действие применяемых перевязочных средств должно соответствовать особенностям фазы раневого процесса. В первой фазе необходимо обеспечить антимикробное, не-кролитическое, сорбирующее, обезболивающее и защитное действие, во второй и третьей фазах следует создать условия для оптимального течения репаративных процессов [2]. В связи с этим применяемые перевязочные средства должны активно сорбировать раневое содержимое, предотвращать повторное инфицирование раны, создавать оптимальный влажностный режим в ране и способствовать активной регенерации тканей. Для повышения сорбции микроорганизмов перевязочные материалы могут содержать TiO2, SiO2, Al2O3, углеродные материалы и др. [10, 12].

Одним из перспективных направлений является создание новых сорбционных материалов и ранозаживля- ющих повязок, которые в качестве активной фазы включают электроположительные высокопористые частицы оксигидроксида алюминия для поглощения биологических жидкостей, адсорбции и инактивации патогенных микроорганизмов [10].

Цель работы: изучение адсорбционной и поглотительной способности сорбционного материала на основе микроволокнистой полимерной матрицы с иммобилизованными частицами оксигидроксида алюминия.

Материал и методы

В качестве объектов исследования использовали образцы оксигидроксида алюминия (ОГА), полимерной микроволокнистой матрицы (ПММ) и сорбционного материала (СМ) [6]. Последний представляет собой полимерную микроволокнистую матрицу с иммобилизованными частицами оксигидроксида алюминия (рис. 1). Исследование морфологии сорбционного материала проводили методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с помощью растрового электронного микроскопа LEO EVO 50.

Ранее было показано, что эффективность адсорбции микроорганизмов сорбционным материалом зависит от знака и величины дзета-потенциала частиц оксигидроксида алюминия [6, 8]. Поскольку микроорганизмы имеют в основном отрицательный заряд в воде, на сорбционном материале с положительным зарядом поверхности происходит адсорбция, в том числе и по электрокинети-ческому механизму.

В исследовании использовали следующие тест-куль-туры микроорганизмов: E. coli 7935 – короткие (длина 1–3 мкм, ширина 0,5–0,8 мкм) полиморфные подвижные и неподвижные грамотрицательные палочки; St. aureus 209 – грамположительные шаровидные клетки диаметром 0,5–1,5 мкм; P. aeruginosa 27583 – грамотрицатель-ная прямая палочка длиной 1–3 мкм и шириной 0,5– 0,7 мкм.

Определение адсорбционной активности оксигидроксида алюминия, полимерной микроволокнистой матрицы и сорбционного материала по отношению к указанным культурам микроорганизмов проводили в статических условиях, взяв за основу метод Е.В. Диановой и А.А. Ворошиловой [3]. Для этого образцы сорбционного материала помещали в стерильные колбы и добавляли 30 мл бактериальной суспензии с концентрацией 1,0х103 КОЕ/мл. Колбы периодически встряхивали на орбитальном шейкере (PSU – 20i) для интенсификации процесса сорбции. Далее пробы центрифугировали в течение 3 мин при скорости вращения 1300 об./мин и осуществляли посев 1 мл надосадочной жидкости на МПА. Посевы инкубировали в термостате при температуре 37±1 °C в течение 24 ч, далее подсчитывали колонии. Таким же методом проводили адсорбцию микроорганизмов на образцах полимерной микроволокнистой матрицы и оксигидроксида алюминия, при том же соотношении компонентов. Адсорбцию микроорганизмов на образцах оксигидроксида алюминия, в отличие от волокнистых материалов, осуществляли при постоянном перемешивании суспензии в течение 30 мин на магнитной мешалке со скоростью 500 об./мин.

Кроме того, изучение адсорбции микроорганизмов образцами исследуемого материала выполняли in vitro методом “Antibacterial Finishes on Textile Materials: Assessment of” AATCC тест метод 100–2004 [11]. Исследования проводили на образцах сорбционного материала с различным содержанием оксигидроксида алюминия. В качестве контроля использовали стерильную марлю. На тестируемые и контрольные образцы диаметром 47 мм наносили культуры микроорганизмов. После инкубации образцов бактерии элюировали при встряхивании со 100 мл физиологического раствора. Затем определяли количество бактерий, присутствующих в жидкости и рассчитывали эффективность адсорбции микроорганизмов.

Исследования адсорбционной и поглотительной способности образцов СМ выполняли на модельных жидкостях: физиологическом растворе, донорской крови и крови, зараженной St. aureus [9, 4]. Донорскую кровь заражали St. aureus, чтобы его концентрация составила 1,0х103 КОЕ/мл и выдерживали в термостате в течение 24 ч при температуре 37±1 °С. Образцы исследуемых материалов массой 0,40 г выдерживали в модельных жидкостях в соотношении 1 : 100 при комнатной температуре (22±2 °C) в течение 0,5; 1; 3 ч. По достижении определенного времени контакта образцы материала извлекали. В течение 10 с давали стечь остаточной жидкости, образцы взвешивали, а затем центрифугировали в течение 30 мин при 3000 об./мин. По разнице массы образцов рассчитывали поглотительную и адсорбционную способность материала [4, 9]. Поверхностная плотность всех исследуемых образцов составляла 0,04±0,01 г/см2.

Статистическая обработка результатов осуществлялась с применением пакета статистических программ STATISTICA for Windows (версия 5.0) с предварительной оценкой нормальности распределения и использованием t-критерия Стьюдента.

Результаты и обсуждение

Для исследования адсорбционной способности образцов использовали штаммы микроорганизмов E. coli 7935, St. aureus 209, P. aeruginosa 27583 как наиболее часто встречающихся представителей микрофлоры инфицирован-

aб

Рис. 1. СЭМ-изображения: а – сорбционного материала; б – оксигидроксида алюминия (1), иммобилизованного на полимерном микроволокне (2)

ных ран. Результаты проведенного исследования показали, что микроорганизмы сорбируются с разной степенью эффективности (табл. 1).

Высокодисперсный порошок оксигидроксида алюминия и сорбционный материал показали близкие величины адсорбции по исследуемым микроорганизмам, поскольку микроорганизмы адсорбируются в основном на частицах оксигидроксида алюминия [7], а по условиям эксперимента образцы ОГА и СМ содержат одинаковое количество активной фазы. Низкая эффективность адсорбции микроорганизмов полимерной матрицей объясняется тем, что снижение концентрации микроорганизмов происходит только за счет поглощения и удерживания жидкости, содержащей микроорганизмы в межволоконном поровом пространстве. Таким образом, эффективность удержания микроорганизмов сорбционным материалом определяется адсорбцией бактерий оксигидроксидом алюминия и поглощением бактериальной суспензии волокнистой полимерной матрицей.

Исследование влияния содержания оксигидроксида алюминия (ОГА) на адсорбцию тестируемых микроорганизмов сорбционным материалом показало, что с увеличением содержания активной фазы ОГА, при полном поглощении бактериальной суспензии, эффективность удержания микроорганизмов возрастала (табл. 2). Несмотря на различную морфологию микроорганизмов, эффективность адсорбции достигала 98–99% при одинаковом содержании активной фазы [7].

Исследование адсорбционной и поглотительной способности сорбционного материала проводили на физиологическом растворе и модели раневого экссудата – донорской крови, которая отличается более высокой вязкостью и представляет собой сложный комплекс различных биологических компонентов (табл. 3, 4).

Результаты проведенных исследований показали что, с увеличением объемной плотности образцов сорбционного материала снижается его поглотительная способность в связи с уменьшением межволоконного порового

Таблица 1

Эффективность адсорбции микроорганизмов сорбционным материалом и его компонентами

Образцы	Влагопоглощение, г/г	Эффективность удержания микроорганизмов, %
		E. coli (n=11)	St. aureus (n=6)	P. aeruginosa (n=14)
ОГА	1,8±0,2	86,8±0,24	92,9±0,22	75,6±0,39
ПММ	22,0±3,0	35,2±0,23	29,2±0,47	37,5±0,59
СМ	12,0±2,0	83,9±0,11	83,9±0,25	79,6±0,36

Таблица 2

Влияние содержания ОГА в сорбционном материале на эффективность адсорбции микроорганизмов

Образец	Наименование культуры	Содержание ОГА, %	Эффективность адсорбции, %
1	E.coli 7935	35±1,8	99,50±0,01
2		30±2,4	98,90±0,05
3	St.aureus 209	33±2,8	97,17±0,18
4		17±2,5	92,67±0,41
5	P.aeruginosa 27583	32±2,5	98,25±0,11
6		27±2,7	96,68±0,11

Таблица 3

Поглотительная способность сорбционного материала

№	Объемная плотность, г/см3	Время экспозиции, ч
		Донорская кровь, г/г			Донорская кровь со St. aureus, г/г			Физиологический раствор, г/г
		0,5	1	3	0,5	1	3	0,5
1	0,058	18,98±0,11	19,87±0,06	18,72±0,08	12,26±0,01	13,74±0,03	13,14±0,05	16,93±0,02
2	0,118	12,79±0,05	11,75±0,03	12,31±0,01	10,89±0,14	11,31±0,04	11,18±0,03	9,88±0,02
3	0,138	11,97±0,04	13,05±0,04	11,20±0,05	8,71±0,01	9,44±0,06	10,34±0,05	10,15±0,03

Таблица 4

Адсорбционная способность материала

№ Объемная плотность, г/см3 Время экспозиции, ч Донорская кровь, г/г Донорская кровь со St. aureus, г/г Физиологический раствор, г/г 0,5 1 3 0,5 1 3 0,5 1 0,058±0,02 8,03±0,05 8,20±0,02 8,16±0,05 6,26±0,03 6,64±0,02 6,12±0,02 6,06±0,01 2 0,118±0,01 7,77±0,02 7,03±0,03 7,70±0,04 6,71±0,02 6,59±0,01 6,39±0,02 5,49±0,02 3 0,138±0,01 6,41±0,01 7,79±0,02 6,98±0,03 6,59±0,02 6,02±0,02 5,52±0,01 5,42±0,02 пространства. Кроме того, на поглотительную способность влияет состав модельной жидкости. Поглощение крови сорбционным материалом складывается из впитывания и удержания отдельных ее компонентов – белков и форменных элементов крови. Поглотительная способность всех исследуемых образцов на крови, зараженной St. aureus, снижается. Вероятно, это связано с повышением вязкости крови вследствие выделения микроорганизмами ферментов коагулирования, что затрудняет проникновение компонентов в межволоконное пространство.

Адсорбционная способность в меньшей степени зависит от объемной плотности сорбционного материала (табл. 4), и определяется в основном составом модельной жидкости. Кровь состоит из жидкой части – плазмы и взвешенных в ней эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов, поэтому, вероятнее всего, из крови адсорбируются белки и форменные элементы. Следовательно, величина адсорбции компонентов крови выше по сравнению с физиологическим раствором.

Следует отметить, что, помимо физической адсорбции на частицах оксигидроксида алюминия [8] микроорганизмы используют для адгезии на различных субстратах дополнительные механизмы фиксации (тейхое-вые кислоты, фимбрии, белки наружной мембраны и др.) [5]. Возможно, в удерживании микроорганизмов на частицах оксигидроксида алюминия принимает участие гли-кокаликс, представляющий полисахаридные волокна клеточной стенки бактерии, основная функция которого – адгезия к различным субстратам. Комплекс адсорбирующих приспособлений позволяет микроорганизмам достаточно прочно фиксироваться на различных поверхностях. Полученные данные свидетельствуют о необходимости дальнейшего исследования механизмов адсорбции микроорганизмов с учетом природы их взаимодействия с оксигидроксидом алюминия.

Таким образом, исследованный сорбционный материал на основе полимерной микроволокнистой матрицы с иммобилизованными частицами оксигидроксида алюминия может быть рекомендован в качестве перевязочного материала для поглощения и адсорбции микроорганизмов на раневой поверхности.

Выводы

• 1.    Сорбционные материалы на основе полимерной мик-роволокнистой матрицы с иммобилизованными частицами оксигидроксида алюминия с высокой эффективностью сорбируют микроорганизмы различной морфологии – E. coli, St. aureus и P. aeruginosa.

• 2.    Адсорбционная способность материала определяется содержанием оксигидроксида на волокнах полимерной матрицы. С увеличением содержания ОГА эффективность удерживания микроорганизмов на сорбционном материале возрастает.

• 3.    Поглотительная способность материала определяется его объемной плотностью и свойствами поглощаемой жидкости. С уменьшением объемной плотности повышается поглотительная способность сорбционного материала. Увеличение вязкости модельной жидкости приводит к снижению поглотительной способ-

• ности.

Работа выполнена при финансовой поддержке ГК № 14.527.12.0001 и Программы V.37.3.