06莫斯科国立纺织大学

含有固化生物活性物质的高分子纤维及膜材料TatianaN.Yudanova,LeonidS.Gal'braikh俄罗斯,莫斯科国立纺织大学化学纤维和纳米材料工艺主任[e-mail]莫斯科国立纺织大学化纤和纳米材料教研室科研的传统领域是对生物活性高分子材料的生产方法的研究。生物活性材料不同的应用领域，决定了高分子载体和生物活性物质之间结合的特点。目前，我们的研究内容是带有酶和/或具有抗菌效果的伤口敷料。现代新型的伤口敷料是以高分子为基材，并且药物释放速度可控的治疗方式。伤口敷料的特殊性是一次性使用，所以他们必须符合下列要求：-敷料使用到伤口上之后立即发挥药物活性；-有一个持久的治疗效果；-能耐辐射灭菌等。我们已经开发出具有蛋白分解、抗菌等综合效果的薄膜和纤维类的伤口敷料。薄膜是由溶液加工成形的，该溶液是以聚乙烯醇为主，并加入了生物活性物质和改性添加剂（见表1）。表1.成膜溶液的组分成膜高分子成膜混合溶液中的添加剂酶*酶，抗菌剂（洗必泰，庆大霉素，培氟沙星）酶，聚电解质（海藻酸钠，羧甲基纤维素）酶，聚合阳离子抗菌剂（聚六亚甲基胍）酶，聚合阳离子抗菌剂（聚六亚甲基胍），阴离子聚乙烯醇聚电解质（海藻酸钠），交联剂，酶，聚乙二醇胰蛋白酶，溶菌酶，terrilitin，胶原酶，kollitin或蛋白酶“C”。具有生物活性纤维的生产方法是把药物浸渍到纤维或纺织材料上面，载体采用纤维素、聚酯或尼龙纤维材料。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com纤维浸渍材料的组成包括成膜高分子（聚乙烯醇）或聚乙二醇，和生物活性混合物（表2）。表2.用于浸渍纤维基体的生物活性混合物的组成纤维基体生物活性混合物酶聚合阳离子抗菌剂（聚六亚甲基胍）酶，聚合阳离子抗菌剂（聚六亚甲基胍，聚乙烯亚胺),交联剂纤维素聚酯尼龙酶，抗菌剂（洗必泰，庆大霉素，培氟沙星）材料经过处理后，复合层可以在合成纤维的表面，或深入到纤维素纤维里面（图1）。а复合层б复合层生物活性物质图1.复合层在合成纤维（a）和纤维素纤维（b）表面的分布结构示意图当药物固定在薄膜或纤维的高分子载体结构中时，高分子体系的组成决定了各个组分之间相互作用的特点、材料的超分子结构以及活性的大小。可以第一种类型的结构：组分之间不形成化学键。在这一体系中形成静电、氢键和疏水作用。在只含有酶的聚乙烯醇薄膜结构中，蛋白质被限制在表面区域，通过氢键固定。在纤维上酶处于在高分子涂层中，而生物活性物质在复合层中的固化位置取决于球蛋白的电荷和基体的电位ζ（见图2）。纤维素、聚酯和尼龙纤合成纤维纤维素纤维PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com维具有负电位ζ，因此带负电荷的球蛋白将固定在复合层的表面，而带正电荷的球蛋白——纤维的表面。复合层композиционныйслойБАВ—生物活性物质：酶，抗菌剂。图2.在没有化学相互作用的情况下，合成纤维表面复合层的结构。第二种类型的特点是：在高分子体系中的化学相互作用只存在于复合层的组分之间。这保障了生物活性物质更好的固定（图3）。固定酶的一个有效途径是，与聚合阴离子（海藻酸钠）或聚合阳离子抗菌物质形成复合。这样，酶的活性和稳定性，以及药物的释放速度可以通过改变分子量和复合电解质的电离度来控制。复合层复合层ПЭК—酶/-聚电解质复合体。图3在没有化学相互作用的情况下，合成纤维表面复合层的结构。第三类结构：所有组分之间都存在化学相互作用，其中包括与纤维基体分子之间。这种化学键越强，材料的生物活性越低（图4）。在薄膜和纤维素基质中生物活性物质位于深层，阻碍了抗菌剂和酶的性能发挥。------------ζ-мV负电位纤维БАВ-------------ζ-мV负电位Волокно纤维БАВ+------------ζ-мV负电位纤维ПЭК-------------ζ-мV负电位纤维ПЭК+PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comа复合层.б复合层в复合层БАВ–抗菌剂或酶/抗菌剂复合体图4.尼龙(а,б)或纤维素纤维表面含有交联剂的复合层结构很明显，高分子材料的结构类型决定了它的活性和稳定性的大小。生物活性物质固定在材料的表面，能够保障生物活性容易发挥，但酶的稳定性将很低。当把药物分散在高分子材料的内层时，扩散作用提高，但从材料中解吸的速度降低。这将导致材料的生物活性降低，酶的稳定性提高和疗效的延长。使用交联剂（戊二醛，硼砂）把生物活性物质固定在高分子载体中可能会导致相反的效果：活性显着降低，因为交联过于牢固；如果使用电离度低的聚合阳离子抗菌剂，活性可能提高。因此，使用交联剂时需要对组分进行优化。ВолокноВолокноБАВБАВБАВБАВВолокноБАВБАВБАВБАВPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com所以，利用分子设计的原理，通过调节系统的组分、聚电解质的电离度及其分子量、引进交联剂、利用不同种类的纤维载体等途径，可以使含有酶和/或抗菌剂高分子材料的生物活性和稳定性得到控制。为有效治疗伤口，高分子伤口敷料应具有最佳的空气和水汽的透过性。纤维素材料具有良好的卫生性能，在浸渍复合层后该性能也不会丧失，但聚酯纤维在浸渍复合层后吸湿性提高。含有生物活性物质和改性添加剂的薄膜，水汽的透过性出现振荡过程，这是气孔关闭和开放的引起的，所以可以称之为“呼吸材料”（图5）。薄膜的组分：7-蛋白酶С，聚六亚甲基胍盐酸盐，海藻酸钠，9–例7+硼砂，12-蛋白酶С，聚六亚甲基胍磷酸盐，海藻酸钠。图5。聚乙烯醇薄膜（1），和含有蛋白酶C和抗菌剂的聚乙烯醇薄膜水汽透过性速度变化曲线产生这一振荡现象的原因是由于材料中存在的应力，以及在高分子薄膜吸附水汽时产生的应力松弛。该振荡过程的特点以及气孔的大小取决于材料的组成。应当指出的是，水汽透过性与气孔的大小并不总是成正比的。其05101504080120160200Время,минΞW/ΞΞ,мгводы/минг1051015202504080120160Время,мин70510152025050100150200Время,мин1202040608004080120160Время,мин9PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com中，含分子量为1.5kDa（千道尔顿）的聚乙二醇薄膜有大约1微米的小孔；而含有聚乙二醇和聚丙二醇的嵌段共聚物-2微米，在同等的其他条件下它的水汽透过性要低，这是因为膨胀程度更高，从而气孔减少了。将生物活性物质消毒时选用了γ射线照射（剂量为25KGr）。经过辐射消毒并储存了３年的高分子材料，其性能和活性没有明显变化。采用电子顺磁谐共振的方法发现，固定在纤维素上的酶具有耐辐射性，是因为自由基从蛋白质大分子被转移到高分子载体上去了。在动物身上的医学和生物学试验表明，含有酶和/或抗菌活性的材料用于治疗感染化脓性伤口和烧伤具有良好的效果。用上述材料处理过的伤口，净化和愈合期缩短1.4倍甚至更多。在图6中显示了对老鼠身上被感染伤口的疗效。薄膜敷料能够抑制炎症的发展，并防止化脓，而在对照组的动物身上发现有炎症，原损伤面积扩大，愈合期延长。-40-20020406080100051015202530Продолжительностьлечения,суткиКонтракцияраны,%контрольконтракцияраны:伤口愈合比例продолжительностьлечения,сутки治疗天数图6.用含有溶菌酶和洗必泰的薄膜材料治疗，大鼠被感染伤口收缩的动态曲线。重要的是，当使用固定酶和/或抗菌剂可以显著减少需要药品的用量（50倍），无过敏反应和刺激性。薄膜敷料与纤维素相比的优势是完全无害和透明。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com因此，在大量的实验数据的基础上，在制取含有酶和/或抗菌剂的纤维和薄膜材料方面已经摸索出了主要规律，研发出来的生物活性纤维和薄膜材料的有效性已经通过人体试验验证。Bibliography1.VirnikA.D.,SkokovaI.F.,YudanovaT.N.etal.Immobilizationofenzymesongraftedcellulosecopolymerscontainingionizablegroups/CelluloseChemistryandTechnology,1993,v.27,pp.477-488.2.SkokovaI.F.,YudanovaT.N.,VirnikA.D.etal.Productionoffibrousmaterialscontaininganimmobilizedproteolyticenzymeandurea/AppliedBiochemistryandMicrobiology,1999,v.35,№1,pp.65-67.3.VirnikA.D.,SkokovaI.F.,YudanovaT.N.etal.Obtainingoffibrousmaterialscontainingbothimmobilizedproteolyticenzymeandantimicrobialsubstanceandinvestigationoftheirproperties/AppliedBiochemistryandMicrobiology,1996,v.32,№6,pp.615-619.4.SkokovaI.F.,YudanovaT.N.,VirnikA.D.Immobilizationoftheproteolyticenzymesongraftedcellulosecopolymersofvariousstructures/AppliedBiochemistryandMicrobiology,1997,v.33,№1,pp.31-35.5.VirnikA.D.,SkokovaI.F.,YudanovaT.N.etal.Prepararionandcharacterizationoffilmswithcombinedbiologicaleffects/AppliedBiochemistryandMicrobiology,1997,v.33,№4,pp.382-385.6.VirnikA.D.,SkokovaI.F.,VysotskayaE.P.,IvanovaM.V.,YudanovaT.N.Coimmobilizationofproteolyticandbacteriolyticenzymesandcharacterizationoftheresultingmaterials/AppliedBiochemistryandMicrobiology,1998,v.34,№2,pp.142-145.7.SkokovaI.F.,YudanovaT.N.,VirnikA.D.CoimmobilizationoftheproteolyticenzymeproteaseSandantimicrobialdrugsonunmodifiedpolymers/AppliedBiochemistryandMicrobiology,1998,v.34,№4,pp.382-387.8.SkokovaI.F.,YudanovaT.N.,Gal'braikhL.S.etal.Propertiesofcompositescontainingbiologicallyactivesubstancesandthepolymericmaterialspreparedfromthem/FibreChemistry