Разработка двухслойного нановолокнистого материала с частицами серебра

2Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет

ЭЛЕКТРОФОРМОВАНИЕ, НАНОВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ, НАНОЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА, РАНЕВЫЕ ПОКРЫТИЯ

Целью работы явилось разработка двухслойного нановолокнистого материала медицинского назначения методом электроформования, в котором сочетаются активный (биодеградирующий) и защитный (биоинертный) слои. Осуществлен выбор волокнообразующих полимеров для каждого слоя: полиамид-6 и поливиниловый спирт. Исходя из проведенного анализа литературных источников, в качестве таргет-компо-нента в активном слое было принято решение использовать наночастицы серебра. Для получения двухслойного нановолокнистого материала были разработаны рецептуры прядильных растворов. Согласно нормам и рекомендациям определена концентрация серебра в итоговом изделии. Выбраны рациональные режимы работы оборудования. Получены изображения структуры двухслойного нановолокнистого материала, анализ которых указывает на наличие небольшого количества веретенообразных дефектов в слое, полученном из раствора поливинилового спирта с частицами серебра. Определены диаметры нановолокон в каждом слое и установлено, что распределение нановолокон по диаметру соответствует логнормальному закону распределения. С учетом выявленных особенностей протекания процесса электроформования и наличия

ELECTROSPINNING, NANOFIBROUS MATERIALS, SILVER NANOPARTICLES, WOUND COVERING

The aim of the work is development of a two-layered nanofibrous material for medicine by electroforming where active (biodegrading) and protective (bioinert) layers are combined. Polyamide-6 and polyvinyl alcohol were chosen as fiber-forming polymers for each layer. Based on the analysis of literature sources, it was decided to use silver nanoparticles as a target component in the active layer. Formulation of spinning solutions was developed for obtaining the two-layered nanofibrous material. The concentration of silver in the final product is determined following the standards and recommendations. Based on this, rational modes for electrospinning equipment were chosen. The analysis of images of the two-layered nanofibrous material structure indicates the presence of a small number of spindle-shaped defects in the layer made from a solution of polyvinyl alcohol with silver particles. The diameters of nanofibers in each layer are measured and it is determined that the distribution of nanofibers by diameter corresponds to the lognormal distribution law. Taking into account the identified features of the electrospinning process and the presence of defects in the structure of the material at the next stage of work it is advisable to determine the possibility of the fiber-forming polymer increasing concentration in the spinning solution. The decision on the need and rational way to дефектов в структуре материала на следующем этапе работы целесообразно определить возможность увеличения концентрации волокнообразующего полимера в прядильном растворе. Решение о необходимости и рациональном способе корректировки содержания в материале наночастиц серебра будет принято на основании апробации полученного материала в качестве ране-

---------------------------X

adjust the content of silver nanoparticles in the material will be made on the basis of approbation of the material as a wound covering.

вого покрытия.

В последние два десятилетия электроформование было признано одним из самых универсальных методов получения материалов различного назначения из микро- и нановолокон. Множество публикаций, посвященных разработкам новых видов нановолокнистых материалов, доказывает, что в настоящее время наблюдается устойчивый интерес к их применению в биоинженерии и медицине.

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. При этом в таких изделиях могут сочетаться различные слои: активный (биодеградирующий), непосредственно контактирующий с повреждением и обладающий сорбционными, кровоостанавливающими и заживляющими свойствами, и защитный (био-инертный), обеспечивающий стерильные условия и свободный обмен с окружающей средой [1].

Благодаря крайне малому диаметру нановолокон заметно увеличивается удельная площадь поверхности. Таким образом, нановолокнистые материалы могут имитировать нанофибриллы внеклеточного матрикса, что делает их идеальными для применения в биомедицине и косметологии [2]. С помощью метода электроформования различные лекарства и биологически активные таргет-компоненты могут быть легко инкапсулированы в нановолокна, что позволяет создавать нановолокнистые материалы с заданными свойствами [3].

С конца 20-го века наблюдается особый интерес к использованию серебра в виде ионов и наночастиц ( AgNP ) в медицине и фармации.

Это связано с доказательством факта того, что серебро обладает более мощным антимикробным эффектом, чем некоторые антибиотики, и оказывает губительное действие на штаммы бактерий, устойчивых к ним [4].

Серебро в виде наночастиц обладает выраженным бактерицидным, противогрибковым действием и служит высокоэффективным обеззараживающим средством в отношении патогенных микроорганизмов, вызывающих инфекционные заболевания. Предполагается, что наночастицы и ионы серебра за счет химических и электростатических сил прикрепляются к отрицательно заряженной клеточной стенке микроорганизмов, нарушают ее функции и разрушают структуру. Затем они связываются с биомолекулами и клеточными структурами, замедляя и останавливая процессы транскрипции, трансляции и синтеза белка, нарушая работу антиоксидантных ферментов, что делает клетку беззащитной перед активными формами кислорода и другими свободными радикалами. Это может привести к окислительному стрессу, повреждениям белков и клеточных мембран, что в дальнейшем приводит к гибели бактерий [5 – 6].

Было установлено, что бактерицидное влияние AgNP на грамположительные бактерии является более выраженным, чем на грамотри-цательные. Предполагается, что грамотрицатель-ные бактерии более устойчивы к воздействию AgNP благодаря наличию наружной мембраны, служащей своеобразным барьером [7]. Наночастицы серебра проявляют антибактериальный эффект даже при низких концентрациях, например, они полностью цитотоксичны для грамотри-цательных бактерий E. Coli при поверхностной концентрации всего 8 мкг/см2. Это может быть связано с удельной площадью поверхности наночастиц. Более мелкие частицы с большим отношением поверхности к объему обеспечивают более значимый антибактериальный эффект [8].

Благодаря выше перечисленным эффектам, наночастицы серебра находят широкое применение в медицине для лечения и диагностики различных заболеваний. Они используются в хирургии, в частности, для лечения ран, ожогов, повреждений, в составе минимально травматичных, биосовместимых и биорастворимых антимикробных повязок [9]. В ряде патентов исследователями разработан ряд раневых покрытий на основе тканых и нетканых материалов природного или синтетического происхождения, содержащих наночастицы серебра [10 – 11]. Китайским ученым Liu Wenbo были разработаны бактерицидные пластыри с AgNP , использование которых снижает необходимость употребления большого количества антибиотиков для борьбы с инфекцией при лечении грыжи [12].

С учетом перспективности использования нановолокнистых материалов в медицине и доказанной эффективностью частиц серебра в качестве таргет-компонента, обладающего бактерицидным действием, целью данной работы являлась разработка структуры материала, содержащего AgNP , и обоснование возможности его получения методом электроформования.

Для создания нового вида раневого покрытия предложена концепция двухслойного наново-локнистого материала [13], в котором сочетаются: активный слой (водорастворимый с активным компонентом) и защитный (биоинертный). В качестве волокнообразующего полимера для получения активного слоя был выбран поливиниловый спирт (ПВС) марки Arkofil. Использование данного полимера обусловлено его водораство-римостью, биосовместимостью с организмом человека и низкой стоимостью [14], а процесс получения нановолокнистых материалов методом электроформования из него хорошо изучен. В качестве полимера для создания защитного слоя выступает низковязкий полиамид-6, так как данный полимер является водонерастворимым и обладает низкой степенью биодеградации, что может быть связано с сильным взаимодействием между молекулярными цепями из-за водородных связей [15].

Разработка материала основывалась на предположении о том, что при контакте активного слоя, состоящего из поливинилового спирта и AgNP , c раневой поверхностью будет происходить быстрое растворение ПВС, то есть образование раствора с наночастицами серебра, тем самым активизируется выделение ионов серебра, которые прикрепляются к стенкам бактерий [16]. Наличие защитного слоя в виде тонкой полиамидной пленки позволит реализовать свободный обмен с окружающей средой. Следовательно, благодаря бактерицидным, выраженным противогрибковым и антисептическим действием наночастиц серебра, разрабатываемый нано-волокнистый материал может рассматриваться в качестве раневого покрытия для лечения ожогов и повреждений кожного покрова.

Для получения двухслойного нановолокони-стого материала были приготовлены два прядильных состава:

– раствор 1: полиамид-6 – 20 %, муравьиная кислота – 80 %.

– раствор 2: 14 % водный раствор ПВС – 80 %, 0,1 % водный раствор AgNP – 20 %.

Наночастицы серебра получены методом глюкозного синтеза из нитрата серебра с использованием в качестве стабилизатора поливи-нилпирролидона. Полноту протекания реакции контролировали путем определения в растворе ионов серебра. Время реакции составило 2,5 часа.

Выбор концентрации серебра в материале осуществлялся на основании анализа информации о его токсических свойствах. Накопление тяжелых металлов, таких как серебро, в организме человека может привести к нежелательным последствиям, например, к гиперпигментации кожи (аргирия). Аргирия представляет собой нарушение пигментации кожного покрова человека, которое вызвано избыточным накоплением меланина в эпидермисе и дерме [17]. Известно, что ПДК серебра в питьевой воде составляет 50 мкг/л. Согласно данным различных ученых, суточная норма потребления серебра составляет от 80 до 100 мкг [18]. Такое количество серебра при длительном каждодневном употреблении не приводит к значимым последствиям. Следовательно, при разработке нановолокнистого материала данные рекомендации по концентра- ции серебра не должны быть превышены.

Однако с учетом особенности структуры и способа применения материала можно отметить, что количество серебра, выделяемое из раневого покрытия, будет зависеть от площади поверхности раны или ожога. Таким образом, для лечения ожогов разной степени целесообразна разработка раневых покрытий с различным содержанием таргет-компонента данного вида.

На данном этапе исследований содержание частиц серебра в прядильном растворе осуществлялось следующим образом. При экспериментальной наработке нановолокнистого материала с наночастицами серебра было установлено, что расход прядильного раствора варьируется в диапазоне от 2,5 до 5 мл/ч. Нанесение нано-волокнистого слоя осуществлялось на подложку в виде антиадгезионной силиконизированной бумаги размером 300-200 мм. При наработке активного слоя в течение 15 минут со средним расходом прядильного раствора 4 мл/ч содержание наночастиц серебра в нем составит 200 мкг. Предварительно предполагается, что для последующего использования получаемый образец материала с нановолокнистым покрытием будет разрезаться на 4 равные части. Следовательно, содержание AgNP в готовом изделии составляет 50 мкг. Увеличение содержания серебра в материале возможно двумя способами: повышением концентрации активного компонента в прядильном растворе или увеличением времени на наработку материала. При этом использование первого способа требует проведение дополнительных исследований, так как введение в состав раствора компонента с повышенной электропроводностью существенно изменяет его свойства.

Получение двухслойных нановолокнистых материалов с AgNP методом элекроформова-ния осуществлялось на лабораторной установке Fluidnatek LE-50 фирмы Bioinicia (Испания). Нанесение нановолокнистых покрытий осуществлялось на подложку при параметрах процесса электроформования, которые представлены в таблице 1.

Стоит отметить, что возможно повышение производительности оборудования за счет увеличения расхода прядильного раствора, однако это приводит к снижению стабильности процесса электроформования, что, в свою очередь, может влиять на морфологию нановолокон и структуру материала [19]. Исходя из анализа результатов работы [13], можно заметить, что расход прядильного раствора из 14 % ПВС с AgNP практически в 3 раза выше, чем при электроформовании нановолокнистых материалов из 14 % раствора ПВС без добавок. Такой результат может объясняться тем, что наличие наночастиц серебра сильно повышает электропроводность данного раствора и впоследствии приводит к увеличению производительности оборудования.

Для визуализации структуры двухслойного нановолокнистого материала, полученного методом электроформования, были получены изображения с использованием электронного сканирующего микроскопа LEO 1420 (Сarl Zeiss, Германия), которые представлены на рисунках 1 и 2 соответственно.

Таблица 1 – Параметры процесса электроформования
Параметр	Защитный слой	Активный слой
Состав прядильного раствора	20 % раствор полиамида-6	14 % раствор ПВС + 0.1 % раствор AgNP
Расстояние от эмиттера до коллектора, см	10	10
Напряжение на эмиттере, кВ	29	30
Напряжение на коллекторе, кВ	-9	-10
Расход прядильного раствора, мл/ч	0,3	4
Частота вращения коллектора, мин1	200	200
Время нанесения, мин	60	15

Рисунок 1 – Изображения структуры нановолокнистого слоя из раствора полиамида-6 при увеличении в 10000 раз

Рисунок 2 – Изображения структуры нановолокнистого слоя из раствора ПВС с AgNP при увеличении в 10000 раз

Проанализировав полученные изображения, можно заметить, что сквозь поверхность слоя, полученного из полиамида-6, видны нановолокна находящиеся в активном слое. Это говорит о том, что слой из полиамидных нановолокон имеет незначительную толщину. Полиамидные нановолокна несколько тоньше волокон из ПВС с добавлением частиц серебра и более равномерны по диаметру. В целом, в первом слое не наблюдается ярко выраженных дефектов. Во втором слое можно заметить наличие незначительного количества веретенообразных дефектов, что может объясняться снижением концентрации волокнообразующего полимера во время процесса электроформования. Дефект носит пороговый характер и зависит от выбора волокнообразующего полимера [19]. Наличие подобных дефектов может объясняться пони- женной вязкостью раствора. Было установлено, что динамическая вязкость 14%-го раствора ПВС с AgNP составляет 323 мПа·с, что практически в 4 раза ниже, чем динамическая вязкость чистого 14%-го раствора ПВС без активных добавок, которая составляет 1321 мПа·с. Однако стоит отметить, что наличие индивидуальных веретенообразных утолщений практически не влияет на эксплуатационные свойства данного нановолокнистого материала.

Установлено, что распределение волокон по диаметру соответствует логнормальному (рисунки 3 и 4). Ранее была подтверждена гипотеза о том, что если считать процесс расщепления струи стационарным при условии постоянства скорости расщепления струй на всем пути от эмиттера до коллектора, то соответствие распределения логнормальному закону может использоваться в качестве одного из критериев стабильности процесса электроформования [20]. Таким образом, можно сделать вывод, что введение в состав прядильного раствора наночастиц серебра в указанном количестве не оказало негативного влияния на процесс электроформования.

В таблице 2 представлена характеристика получаемых нановолокон.

Исходя из результатов проделанной работы, можно сделать следующие выводы:

• 1.    Предложена двухслойная структура нано-волокнистого материала, содержащего наночастицы серебра, и доказана возможность его получения методом электрофомрования.

• 2.    С учетом выявленных особенностей протекания процесса электроформования и наличия дефектов в структуре материала на следующем этапе работы целесообразно определить возможность увеличения концентрации волокнообразующего полимера в прядильном растворе.

  

  Рисунок 3 – Гистограмма распределения нановолокон по диаметру в слое, полученном из 20 % раствора полиамида-6

  
  

• 3.    Решение о необходимости и рациональном способе корректировки содержания в материале наночастиц серебра будет принято на основании апробации полученного материала в качестве раневого покрытия.

Рисунок 4 – Гистограмма распределения нановолокон по диаметру в слое, полученном из раствора ПВС с AgNP

Таблица 2 – Характеристика получаемых нановолокон
Наименование образца	Средний диаметр волокон, íì	Коэффициент вариации по диаметру волокна, %
20 % р-р полиамида-6 (1 слой)	174	13,3
14 % р-р ПВС с AgNP (2 слой)	199	28,4          J