Оценка паропроницаемости раневых повязок с нановолокнистым покрытием

УДК 677.076.49 : 620.3                                   DOI:

Достижения в разработке и изготовлении наноматериалов с заданными свойствами различного назначения в наибольшей степени определяются уровнем развития технологий, которые позволяют получать наноструктурные объекты необходимой конфигурации. В настоящее время перспективы развития в области наноматериалов и нанотехнологий включают в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, медицины и других сфер деятельности. Основными задачами нанотехнологий являются получение наноматериалов с заданной структурой и свойствами, исследование структуры и свойств наноматериалов в ходе их получения.

Одним из перспективных методов получения нано-размерных материалов является электроформование, суть которого заключается в воздействии электрического поля на раствор полимера. Полученные методом электроформования материалы из нановолокон включаются в композиционные текстильные материалы нового поколения для обеспечения регулируемой водо- и паропроницаемости, антимикробных и антивирусных свойств. Электроформование нановолокон из раствора или расплава полимеров, а также получение на их основе композиционных волокнистых нетканых материалов является прогрессивной технологией настоящего времени [Haider A., Haider S., Kang, 2018; Демидова, Рыклин, 2022]. На данный момент наблюдается устойчивый интерес к применению нановолокнистых материалов, полученных методом электроформования в биоинженерии и медицине для создания изделий санитарно–гигиенического, косметологического и лечебного назначения [Stace et al., 2019; Mehnath et al., 2020].

Особый интерес к производству электроформо-ванных раневых повязок из биоинертных полимеров связан с особенностями их структуры. Раневые повязки играют решающую роль в обеспечении процесса заживления ран, однако их классические образцы обладают заметными недостатками. Так, факторы роста, необходимые для восстановления тканей, подвержены ферментативному расщеплению и биодеградации, тем самым затрудняя процесс заживления. Доставка биоактивных фармацевтических препаратов и клеточная терапия сталкиваются с такими препятствиями, как побочные эффекты и ограниченная клеточная активность, что снижает их терапевтическую эффективность. Кроме того, хотя гидрофобные повязки эффективно уменьшают адгезию, они могут непреднамеренно содержать бактерии и не обладать способностью поглощать раневой экссудат, следовательно, продлевая процесс заживления [Chen et al., 2022]. Современные раневые повязки, объединяющие традиционные средства с передовыми технологиями, включая гидрогели, наночастицы, мицеллы, микросферы, губки, каркасы, пленки и электрофор-мованные нановолокна, становятся все более популярными в области тканевой инженерии и заживления ран [Ren et al., 2020].

Нановолокнистые материалы, как лечебное средство, применяются в качестве различных повязок, в которых они выполняют как защитные, так и лечебные функции при повреждениях, например, кожного покрова [Chagas et al., 2021; Su et al., 2021; Hermenegildo et al., 2022]. При этом в таких изделиях могут сочетаться слои: активный (биодеградирующий), непосредственно контактирующий с повреждением и обладающий сорбционными, кровоостанавливающими и заживляющими свойствами, и защитный (биоинертный), обеспечивающий стерильные условия и свободный обмен с окружающей атмосферой. Нановолокнистые повязки способны препятствовать попаданию в рану микроорганизмов извне, а также позволяют проводить лечение без повреждения тканей. Гистологические исследования показали, что при использовании нановолокнистых повязок, полученных способом электроформования, скорость восстановления эпителия на повреждённой поверхности увеличивается, а образование рубцов на коже сокращается [Agawal, Wendorff, Greiner, 2008].

В последнее время требования к материалам, применяемым в медицине для получения раневых повязок и пластырей на основе нановолокон, становятся все более высокими. Они должны совмещать в себе такие свойства, как биосовместимость, биодеградируемость, а также приемлемые механические свойства. Этим требованиям соответствуют синтетические биодеградируемые полимеры, наиболее распространенными представителями которых являются поликапролактон, полигликолевая кислота, полимолочная кислота, поли-этилентерефталат и полиамид [Z. Gao et al., 2021; Pillai et al., 2021].

При этом важным вопросом при оценке получаемого нановолокнистого материала на пригодность и эффективность использования в качестве раневого материала являются его санитарно-гигиенические свойства, среди которых можно выделить отсутствие вредных примесей, паро- и водопроницаемость, отсутствие создания среды, способствующей развитию болезнетворных бактерий, стойкость к воздействию биологических жидкостей и другие.

Обязательными свойствами для пленочных раневых покрытий являются: непроницаемость для микроорганизмов; проницаемость для водяного пара; проницаемость для кислорода. Проницаемость для водяного пара является крайне важным свойством, так как скапливающийся под пленкой избыток раневого экссудата мацерирует окружающую кожу и разрыхляет эпидермис, который теряет свои защитные свойства по отношению к микроорганизмам, находящимся в глубине волосяных фолликулов, сальных и потовых желез. Это приводит к развитию контактного дерматита [Д. Ю. Андреев, Б. А. Парамонов, А. М. Мухтарова, 2009].

Так, учеными было установлено, что скорость испарения воды с поверхности сухой здоровой кожи человека в спокойном состоянии составляет 144 г/(м2∙сут) (0,6 мг/(см2∙ч)) [J.S. Surinchac, 1985], для поверхности ожоговой раны данный показатель может достигать 3400–5200 г/(м2∙сут) (14,17–21,67 (мг/см2∙ч)) [R. Bryant, 1992].

Производство волокнистых материалов из биосов-местимых и биодеградируемых полимеров открывает широкие перспективы для их использования в медицине при создании перевязочных средств, заменителей тканей, систем контролируемой доставки лекарственных средств. Одним из направлений при этом выступает создание раневых повязок с системой трансдермальной доставки лекарств. Данная система представляет собой материал с включением нановолокон из двух видов полимеров:

– биоинертного полимера, отвечающего за сохранение материалом формы;

– биосовместимого водорастворимого полимера с включенным активным компонентом.

При попадании на кожу происходит активизация трансдермальной системы доставки лекарственного компонента: водорастворимые нановолокна вступают в контакт с естественной влагой кожи, начиная растворяться и высвобождать включенный в них лекарственный компонент, в то время как биоинертные нерастворимые нановолокна позволяют раневому покрытию сохранять форму и не терять эксплуатационных характеристик.

В связи с этим, целью исследования стала оценка влияния нановолокнистых покрытий разного состава и структуры на паропроницаемость раневых повязок.

Для проведения исследований в качестве материалов для трансдермальной доставки лекарств методом электроформования были получены различные образцы с двухслойными нановолокнистыми покрытиями. При этом внутренний слой покрытий, наносимый непосредственно на подложку, вырабатывался из биоинертного полимера, в качестве которого был выбран полиамид, а внешний – из биосовместимого, водорастворимого полимера, в роли которого выступал поливиниловый спирт с добавлением функционального компонента – глицерина.

Полиамид-6 (ПА-6) – представляет собой продукт анионной полимеризации капролактама, проводимой непосредственно в форме в присутствии щелочных катализаторов и активаторов. ПА-6 отлично поглощает ударные нагрузки, имеет малый коэффициент трения и абразивный износ, химически стоек, имеет высокие диэлектрические параметры. Данный полимер является нерастворимым и биоинертным, в связи с чем широко используется в медицине как нерассасывающийся шовный материал, так как обладает высокой устойчивостью к биодеградации. Как правило, он применяется в специализированных отраслях хирургии (сосудистая хирургия, кардиохирургия, нейрохирургия, офтальмология), требующих прецизионной техники наложения шва [Бонцевич, 2005]. Конструкции из полиамида применяются в стоматологии при протезировании челюсти [Шулятникова и др., 2012].

Известно, что нановолокнистые материалы из полиамида-6 используются в качестве матриц для переноса лекарственных компонентов и субстанций, поскольку способны имитировать структуру естественного внеклеточного матрикса, способствуют адгезии клеток, пролиферации и регенерации, одновременно облегчая транспорт питательных веществ и ангиогенез, а также обладают хорошей совместимостью с различными антибактериальными веществами. Полиамид-6 отличается высокой механической прочностью и стабильностью, в связи с чем активно используется в биомедицине, в том числе для создания раневых повязок и покрытий [Mouseli et. al., 2024].

В свою очередь, поливиниловый спирт (ПВС) обладает биосовместимостью, не оказывает токсической нагрузки на организм пациента и не вызывает иммунного ответа, обладает специфическим характером и скоростью растворения, способен выводиться из организма пациента и не накапливается в тканях и органах. Благодаря нетоксичности ПВС может применяться в медицине в качестве клеев, пластырей, стерильных салфеток, хирургических нитей, фармацевтических препаратов, для изготовления плазмозаменяющих растворов1. ПВС является водорастворимым полимером, в связи с чем широко применяется в инновационной медицине для получения нановолокнистых материалов с высокой скоростью растворения.

В качестве функционального компонента, добавленного в нановолокно, может выступать глицерин. Известно, что глицерин – один из важных компонентов в медицине. Его можно назвать одним из самых дешевых увлажняющих средств. Он входит в состав многих кремов, мазей, мыла. Глицерин выполняет защитную функцию, так как сохраняет влагу в клетках кожи. В медицине его используют в качестве антисептика при комплексном лечении многих заболеваний, особенно кожных (способствует заживлению ран, препятствует заражению и гноению)2. Водопоглощающий эффект провоцирует дегидратацию и гибель болезнетворных бактерий. Глицерин в медицине является эффективным растворителем таких химических веществ как йод, фенол, тимол, бром3. При производстве нановолокнистых материалов глицерин играет роль пластификатора, повышает их эластичность.

Методы и средства исследований

С целью определения влияния структуры и состава нановлокнистого покрытия на показатель паропроница-емости была осуществлена наработка 6 образцов материалов, характеристика покрытий которых представлена в таблице 1.

Выбор параметров процесса наработки образцов был обусловлен тем, что одной из задач исследования являлась оценка влияния толщины нановолокнистого покрытия, а также сочетания в нем гидрофильных и гидрофобных слоев на воздухопроницаемость получаемого материала.

Для получения нановолокнистых покрытий использовалась установка Fluidnatek LE-50, на которой формовочный раствор с помощью насоса по капилляру поступает в заданном количестве к прядильной головке, имеющей положительный потенциал, а далее – через отверстие в игле в зону электроформования. Нановолокна наносятся на подложку, закрепленную на барабане, который имеет отрицательный потенциал.

В качестве подложки для проведения электроформования использовался нетканый материал спанлейс, отличительными свойствами которого являются гигроскопичность, высокая степень воздухопроницаемости, безворсовая структура, гипоаллергенность, прочность и эластичность. Поверхностная плотность спанлейса составляет 45 г/м2, данный материал состоит из волокон вискозы в смеси с полиэфирными волокнами и имеет характерную сетчатую структуру (рисунок 1).

Определение паропроницаемости осуществлялось посредством сравнительного испытания проб материалов с помощью анализатора влажности MAC-50 фирмы Radwag (Польша), руководствуясь стандартом PN EN ISO 14268:2005. Для проведения исследований формировались пробы в виде диска диаметром 55 мм, которые предварительно в течение суток выдерживались в кондиционных условиях, после чего помещались в комплект Sampler 2000 анализатора влажности. Испытание осуществляется в течение 1 часа при температуре 40 °С. Данное значение температуры имитирует температуру на раневой поверхности тела человека.

Таблица 1 – Характеристика нановолокнистых покрытий

Table 1 – Characteristics of nanofiber webs

№ образца	Структура	Состав слоев покрытия	Время нанесения, мин.	Расход прядильного раствора, г/ч
1	Однослойное покрытие	ПА-6 – 15%, муравьиная кислота – 85 %	15	0,2
2	Двухслойное покрытие	ПА-6 – 15%, муравьиная кислота – 85 %	15	0,2
		ПВС – 14 %, вода – 86 %	60	1,1
3	Двухслойное покрытие	ПА-6 – 15%, муравьиная кислота – 85 %	15	0,2
		ПВС – 14 %, глицерин – 8, вода – 78 %	50	1,3
4	Однослойное покрытие	ПА-6 – 15%, муравьиная кислота – 85 %	6	0,2
5	Двухслойное покрытие	ПА-6 – 15%, вода – 85 %	6	0,2
		ПВС – 14 %, вода – 86 %	30	1,1
6	Двухслойное покрытие	ПА-6 – 15%, муравьиная кислота – 85 %	6	0,2
		ПВС – 14 %, глицерин – 8, вода – 78 %	25	1,3

Рисунок 1 – Структура материала cпанлейс Figure 1 – Spunlace structure

Результаты исследований

Изображения структуры образцов 1 и 3, полученные с помощью электронного сканирующего микроскопа LEO 1420 (Сarl Zeiss, Германия) при различном увеличении, представлены на рисунках 2 и 3.

Анализ полученных изображений позволил установить, что средний диаметр нановолокон ПА-6 составил 174 нм, коэффициент вариации нановолокон по диаметру – 13,3 %. Полученный нановолокнистый материал отличался плотностью нанесения покрытия, равномерностью и гладкостью, отсутствием видимых дефектов. Нановолокнистое покрытие, полученное из ПВС с добавлением глицерина отличалось равномерностью, нанесение покрытия было плотным, без образования дефектов. Средний диаметр нановолокон составил 197,76 нм, коэффициент вариации нановолокон по диаметру – 20 %.

На рисунке 4 представлена динамика изменения массы комплекта Sampler 2000 с испытуемыми пробами в течение 60 минут.

Полученные значения паропроницаемости нетканой подложки и полученных образцов материалов с нано-волокнистыми покрытиями по результатам испытаний на анализаторе влажности MAC-50 представлены в таблице 2.

а

Рисунок 2 – Изображение структуры нановолокнистого покрытия, выработанного из раствора ПА-6 (образец 1): а) ×1000; б) ×10000 Figure 2 – Image of the structure of a nanofibrous coating produced of the PA-6 solution (sample 1): a) ×1000; b) ×10000

б (b)

а

б (b)

Рисунок 3 – Изображение структуры нановолокнистого покрытия, выработанного из раствора ПВС с добавлением глицерина (внешний слой образца 3): а) ×1000; б) ×10000

Figure 3 – Image of the structure of a nanofibrous coating produced of the PVA solution with glycerin adding (upper layer of the sample 3): a) ×1000; b) ×10000

Полученные значения паропроницаемости нетканой подложки и полученных образцов материалов с нано-волокнистыми покрытиями по результатам испытаний на анализаторе влажности MAC-50 представлены в таблице 2.

Анализ полученных результатов

В результате проведенного эксперимента установлено, что происходит равномерное испарение воды во всех исследованных образцах. Материалы равномерно пропускают пары на протяжении всего испытания. Па-ропроницаемость материала спанлейс, выступавшего в роли подложки, составляет 14,16 мг/см2∙ч, что является наибольшим значением для всех испытанных образцов. При нанесении на подложку слоя из биоинертного полимера ПА-6 в течение 15 минут паропроницаемость материала снижается на 5,08 %. Данный факт объясняется тем, что нановолокнистое покрытие представляет собой сетчатую структуру с шириной пор от 0,1 до

Рисунок 4 – Динамика изменения массы комплекта Sampler 2000 в процессе проведения эксперимента Figure 4 – Dynamics of the Sampler 2000 mass changes during the experiment

Таблица 2 – Паропроницаемость исследованных образцов материалов

Table 2 – Vapor permeability test results

Исследуемый материал		Паропроницаемость, мг/см2·ч
Спанлейс		14,16
Образцы с нановолокнистыми покрытиями	Образец 1	13,44
	Образец 2	12,97
	Образец 3	12,42
	Образец 4	13,85
	Образец 5	13,01
	Образец 6	12,71

1,5 мкм, затрудняющую прохождение водяных паров. При сокращении времени нанесения покрытия в 2,5 раза приблизительно пропорционально уменьшается и падение его паропроницаемости.

При нанесении последующего слоя, содержащего ПВС (образец 2), паропроницаемость нановолокнистого материала снижается на 3,5 % по сравнению с образцом 2, что в первую очередь связано с увеличением толщины покрытия. Кроме того, ПВС, являясь водорастворимым полимером, при контакте с влагой начинает растворяться, постепенно заполняя поры между волокнами из по- лиамида, что также оказывает влияние на прохождение водяных паров через покрытие.

Наименьшей паропроницаемостью обладает двухслойный образец 3, первый слой которого получен из ПА-6, а второй из – раствора ПВС с добавлением глицерина. Гигроскопичность глицерина, включенного в нановолокно ПВС, снижает паропроницаемость полученного образца на 4,2 % по сравнению с двухслойным материалом (образец 2), наработанным без данного компонента.

Так же сокращение времени нанесения растворимого слоя и, как следствие, его толщины, непосредственно влияет и на показатели паропроницаемости. Так, для сравнения, показатель паропроницаемости у образца 6 оказался выше на 2,34 % по сравнению с образцом 3 того же состава.

Как уже было упомянуто ранее, паропроницаемость раневых повязок должна быть не менее 0,6 мг/см2∙ч – для всех исследованных нановолокнистых материалов данный показатель существенно превышает необходимые значения, что свидетельствует о том, что данные нановолокнистые материалы обеспечивают благоприятную для лечения среду на раневой поверхности. Включенный в нановолокно из ПВС активный компонент глицерин при попадании на рану начинает высвобождаться согласно принципу трансдермальной доставки, а установленная в ходе исследований паропроницае-мость материала позволяет обеспечить свободный вла-гообмен с окружающей средой.

Выводы

В результате проведенных исследований установлено, что паропроницаемость материалов зависит от состава и толщины нановолокнистого покрытия. Увеличение толщины покрытия и введение в его состав гидрофобных компонентов сопровождается снижением паропроницаемости. Однако изменение данного показателя несущественно.

Полученные результаты могут быть использованы при проектировании раневых повязок с нановолокни-стыми покрытиями, выборе основы для нанесения материала, состава прядильного раствора и режимов процесса электроформования.

Разработанный двухслойный нановолокнистый материал из ПА-6 и ПВС с добавлением глицерина обладает достаточной паропроницаемостью и может быть использован для создания раневых повязок и пластырей с механизмом трансдермальной доставки лекарств для применения в медицине и косметологии.