Российские ученые разработали аэрогели, останавливающие кровотечения за несколько минут, и испытали их на свиньях
Ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева разработали аэрогели на основе биополимера хитозана для быстрой остановки массивных кровотечений.
Это высокопористые частицы, которые можно локально вводить в раны: они разбухают, впитывая эритроциты и другие компоненты крови, и в результате образуется плотный кровяной сгусток. Совместно с коллегами из СПХФУ Минздрава России ученые провели испытания на лабораторных животных (свиньях), которые показали, что частицы аэрогелей останавливают кровотечение за 2-3 минуты, и не обладают характерными недостатками или побочными действиями прямых аналогов, представленных на рынке. Статья об исследовании опубликована в сентябре в журнале Polymers.
По статистике обильные кровопотери служат первой причиной смертей при травмах, при этом остановить кровь можно разными способами. Часто для остановки кровотечения достаточно перевязочных средств вроде марли или бинтов. Но возможны случаи массивных пульсирующих кровотечений, во время которых человек может потерять критическое количество крови за считанные минуты, и обычными способами с ними не справиться. Сейчас их останавливают в основном с помощью пористых материалов на основе цеолитов, но они обладают серьезным побочным действием - при попадании цеолитов в раны начинаются реакции с выделением тепла, и в результате на теле остаются ожоги. Поэтому ученые ищут новые кровоостанавливающие материалы, которые будут одновременно эффективными и безопасными.
Разработка российских ученых основана на хитозане - популярном биополимере, который получают из панцирей ракообразных. У него высокая биосовместимость и поэтому хитозан используют в покрытиях протезов (в т.ч. искусственных клапанов сердца), системах адресной доставки лекарств, каркасов для восстановления костной ткани и других биомедицинских целях. А в новой работе ученые сделали на основе хитозана аэрогель - так называют твердые, высокопористые материалы, которые на 99% состоят из воздуха. Они обладают такой большой суммарной площадью пор, что, если бы их все можно было раскатать на одной плоскости, тогда 10 граммов аэрогеля хватило бы для одного футбольного поля.
“Мы совместили свойства хитозана с уникальными свойствами аэрогелей и так получили новый высокоэффективный кровоостанавливающий материал, который работает не просто лучше, чем хитозан сам по себе, но и лучше, чем многие современные аналоги - он безопасней и удобнее при сопоставимой себестоимости и кровоостанавливающих свойствах”, - рассказывает первый автор работы, научный сотрудник Международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий РХТУ, Дарья Ловская. “Совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного химико-фармацевтического университета мы провели испытания на свиньях: им наносили повреждение магистрального сосуда, после чего 45 секунд шло активное кровотечение, а потом в рану с помощью аппликатора вводили частицы аэрогеля. Через 2-3 минуты формировался устойчивый кровяной сгусток, плотно прилегающий к краям раны и кровотечение полностью останавливалось”.
После того как частицы аэрогеля хитозана попадают в рану они начинают стремительно набухать: впитывают различные биологические жидкости и газы, выделяющиеся из раны, а также за счёт положительного заряда молекул хитозана притягиваются эритроциты, поверхность которых заряжена отрицательно. В результате аэрогель разбухает и полностью закрывает рану, останавливая кровотечение.
Секрет производства – технологии сверхкритических флюидов
Аэрогель получали в несколько этапов: сначала синтезировали гидрогель хитозана, то есть сетчатую структуру с обилием пор, заполненных водой. После этого гидрогель обрабатывали спиртом таким образом, чтобы заменить всю воду. И наконец, после этого, полученный гель сушили в среде сверхкритического флюида - углекислого газа, который находится в специальном аппарате при давлении 73 атмосферы и температуре 31 градус. В таких условиях флюид постепенно вытеснял весь спирт, освобождая поры, но при этом не разрушая структуру материала, и в результате гидрогель наконец превращался в аэрогель.
Ученые использовали хитозан с разной молекулярной массой и проанализировали структуру получаемых материалов. Лучшие характеристики показали аэрогели на основе самых коротких молекул хитозана: их пористость составила 97%, а плотность - всего 28.6 кг/м3, то есть почти весь объем материала приходился именно на поры, заполненные воздухом (для сравнения: кирпич стандартного размера, изготовленный из такого аэрогеля весил бы не больше 60 грамм). При этом большая часть пор была диаметром более 0.5 микрон, что идеально подходит для адсорбции эритроцитов.
После ученые провели испытания лучших образцов на лабораторных животных - шести взрослых свиньях. Свиньям наносили повреждение бедренной артерии, имитирующее пулевое ранение, и после 45 секунд свободного истечения крови, вводили препараты и затем определяли их действие по стандартной процедуре испытания кровоостанавливающих средств. Чтобы оценить эффективность новых материалов ученые сравнивали действие частиц аэрогелей на основе хитозана с чистым хитозаном в виде порошка.
Аэрогели хитозана и чистый хитозан показали схожие результаты: кровотечения прекращались за 2-3 минуты после введения препарата и не возобновлялись в течении трёх часов наблюдений, средний объем потерянной крови составлял 425 мл, а в конце испытаний все животные успешно прошли маршевую пробу: им сгибали и разгибали поврежденную ногу, имитируя ходьбу, но кровотечение не возобновилось.
При этом у аэрогелей был ряд преимуществ перед частицами чистого хитозана. Во-первых, чистый хитозан в форме порошка может неравномерно распределяться по поверхности раны, то есть она будет частично открыта для инфекции, в то время как частицы аэрогеля можно локально и точно ввести с помощью аппликатора, и после их быстрого набухания они закроют всю рану без зазоров. Во-вторых, порошок хитозана часто прилипает к краям раны и потом их очень сложно отделить от тканей, что затрудняет хирургическую работу после остановки кровотечения, в то время как с аэрогелями таких проблем не возникает, и их легко удалить из раны.
Золотой час
Гемостатические препараты на основе порошков чистого хитозана уже представлены в научных работах и даже выведены на рынок, но кроме других недостатков они обладают еще одним серьезным побочным действием - чисты хитозан может разойтись по организму вместе с кровотоком и вызвать тромбоз. У аэрогелей хитозана таких побочных эффектов нет поскольку они имеют форму сферических частиц размером от 1 до 3 см: такие частицы в кровоток в силу своих размеров уйти не могут, а отдельные молекулы хитозана из сшитой структуры аэрогеля не отделяются. Однако в качестве гемостатических материалов аэрогели хитозана до этого они не рассматривались - есть только отдельные научные работы, где структуру подобных материалов оптимизируют для сорбции разливов нефти. Тем не менее все эксперименты показали перспективность аэрогелей хитозана в качестве кровоостанавливающих средств и поэтому исследователи планируют дальше развивать технологию производства созданного материала.
“В военной медицине есть такой термин, как золотой час - если в течении первого часа не оказать должную помощь, то это может стать причиной смерти. А с массивными венозными или артериальными кровотечениями счёт вообще идёт на минуты, и если какое-то средство выигрывает даже одну минуту по сравнению с аналогами это уже огромное достижение, - говорит Дарья Ловская. “Мы показали, что наше средство останавливает кровотечения на масштабах 2-3 минут без характерных побочных эффектов аналогов - оно не вызывает ожоги, как цеолиты и не способно вызвать тромбозы, как чистый хитозан. Кроме того, по нашим расчетам себестоимость аэрогелей на основе хитозана даже ниже, чем у аналогичных гемостатических средств, потому что все исходные вещества и реактивы, тот же CO2, у нас совсем недорогие. Так что наши результаты на, пускай, и сравнительно небольшой выборке из шести животных - это очень хорошая отправная точка для дальнейших исследований”.
Ученые уже получили патент на свой материал, в дальнейшем они будут модернизировать его структуру таким образом, чтобы еще больше сократить время кровотечения, сохранив все остальные преимущества и особенности материала.
