Министерство науки и высшего
образования Российской Федерации
РОССИЙСКИЙ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
им. Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА
Ministry of Education
of the Russian Federation
D. MENDELEEV
UNIVERSITY of CHEMICAL
TECHNOLOGY
of RUSSIA
КАФЕДРА БИОМАТЕРИАЛОВ
125047 г. Москва, Миусская пл., 9
тел. (499) 972-48-08
18.03.01 – Химическая технология
Химическая технология
биоматериалов
ЗАДАНИЕ НА ПРОХОЖДЕНИЕ УЧЕБНОЙ ПРАКТИКИ: ПРАКТИКА ПО
ПОЛУЧЕНИЮ ПЕРВИЧНЫХ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ УМЕНИЙ И НАВЫКОВ, В
ТОМ ЧИСЛЕ И НАВЫКОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Обучающийся:
Тема:
(выданная)
Тема:
(защищаемая)
Малышенко Алина Дмитриевна
«Полимерные гидрогели как основа раневых покрытий
(интерактивных перевязочных средств)»
«Полимерные гидрогели как основа раневых покрытий
(интерактивных перевязочных средств)»
Срок предоставления законченного отчета «14» июля 2023 г.
Содержание пояснительной записки*:
Титульный лист
Задание на прохождение практики
Содержание
Введение: актуальность, уровень и перспективы развития направления, цель исследования.
Аналитический обзор литературы: содержание обзора со ссылками на литературные источники,
выводы из обзора литературы.
Экспериментальная часть (при наличии): таблицы экспериментов, графики, номограммы,
предварительные выводы
Обсуждение результатов: анализ результатов, сопоставление с источниками.
Выводы
Список литературы
Иллюстративный материал* представляется в форме распечатанных слайдов формата А4
электронной презентации в программе «Microsoft Office Power Point» или «OpenOffice».
*Содержание отчета и презентации уточняется руководителем работы.
Дата выдачи задания «1» июля 2023 г.
Задание выдал руководитель: Артюхов А.А., проф. д.х.н.
Задание принял обучающийся: Малышенко А.Д.
1
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева»
ОТЧЕТ
о прохождении учебной практики: практика по получению первичных
профессиональных умений и навыков, в том числе и навыков
научно-исследовательской деятельности
Малышенко Алины Дмитриевны
«Полимерные гидрогели как основа раневых покрытий
(интерактивных перевязочных средств)»
Направление
подготовки
(специальность)
Профиль
(специализации)
18.03.01
Химическая технология
(шифр)
(наименование)
Химическая технология биоматериалов
п
и
(наименование)
Факультет
Профильная
организация
ИПУР
Группа
ПР-20
и
Российский химико-технологический университет
имени Д.И. Менделеева, г. Москва
и
(наименование, город)
Ии
Срок проведения
и
с
01.07.2023 и
по
14.07.2023 и
Заведующий кафедрой
д.х.н., Я.О. Межуев
Руководитель практики
д.х.н., А.А. Артюхов
Студент
Малышенко А.Д.
(инициалы, фамилия)
(подпись)
Москва, 2023 г.
2
Содержание
Введение ....................................................................................................................... 4
1. Гидрогели. Общая информация ............................................................................. 5
2. Раневые покрытия ................................................................................................... 7
3. Полимерные гидрогели как основа раневых покрытий ...................................... 9
4. Стратегия разработки и эффективность гидрогеля.............................................12
5. Заключение ............................................................................................................ 14
6. Список использованной литературы ................................................................... 15
3
Введение
В последние десятилетия большой интерес вызывают материалы медикобиологического назначения, то есть материалы, предназначенные для создания
изделий, устройств и препаратов, применяемых в медицине, биотехнологии, сельском
хозяйстве и т.п., и используемые для обеспечения и оптимизации жизнедеятельности
человека, животных, растений, микроорганизмов. Во многих случаях материалы
медико-биологического
назначения
-
биоматериалы
функционируют
в
непосредственном взаимодействии с живыми тканями и клеточными объектами.
В качестве биоматериалов используются полимеры, металлы, неорганические
материалы, материалы на основе углерода. Такими материалами являются так
называемые полимерные гидрогели. [2]
Полимерные гидрогели находят широкое применение в различных областях,
связанных с медициной и биотехнологией. Ряд уникальных свойств делают их
чрезвычайно привлекательными для целого ряда динамично развивающихся
областей медицинской науки, таких, как клеточная и тканевая инженерия, технология
имплантатов и биологически активных систем и др. Все увеличивающееся
количество публикаций, посвященных этому виду материалов, указывает на их
перспективность. [8]
Однако,
несмотря
на
значительное
количество
работ,
связанных
с
исследованием и разработкой подобных систем, вопрос создания гидрогелевого
материала, который удовлетворял бы всем требованиям возможных биохимических
и биомедицинских областей применения (например, степень развитости пористости,
степень клеточной адгезии, токсичность, способность к биодеградации и т.п.),
характеризуясь при этом доступностью, достаточно простой технологией получения
и относительной дешевизной, по-прежнему, остается открытым. [1]
4
1. Гидрогели. Общая информация.
Гидрогели представляют собой коллоидные или гелеобразные вещества,
состоящие из трехмерных полимерных сетей, содержащих более 90% воды.
Гидрофильные функциональные группы (-OH, -CONH, -CONH2, и -SO3H),
присоединенные к полимерной цепи, позволяют абсорбировать большое
количество воды, а их устойчивость к растворению возникает из-за поперечных
связей между цепями сети. Эти структурные поперечные связи являются
результатом ковалентной связи, водородной связи и ван-дер-ваальсовых
взаимодействий. [3]
Способность такого материала набухать и сжиматься за счет поглощения и
выделения воды делает гидрогели пригодными для нескольких применений, таких
как биомедицина, интеллектуальные материалы, тканевая инженерия и т.д.
Гидрогели могут быть получены как из природных полимеров (натуральные
или биогидрогели), так и из синтетических полимеров (синтетические гидрогели).
К природным биополимерам относят коллаген, желатин, хитозан, гиалуроновую
кислоту, хондроитинсульфат, агарозу, альгинат и фибрин и др. Примером
искусственных полимеров служат поливиниловый спирт и полиэтиленгликоль.
Гидрогели на основе синтетических полимеров имеют более длительный
срок службы, более высокое водопоглощение, а также повышенную прочность
геля. Гидрогели природного происхождения используются благодаря их высокой
биосовместимости и биоразлагаемости, однако они часто обладают неподходящими механическими свойствами и подвергаются быстрой деградации в организме.[5]
В зависимости от свойств используемого полимера (полимеров), а также от
характера и плотности соединений сетки такие структуры в равновесии могут
содержать различное количество воды; обычно в набухшем состоянии массовая
доля воды в гидрогеле намного выше, чем массовая доля полимера. [4]
Некоторыми из общих характеристик идеального гидрогеля являются
высокая абсорбция жидкости, адекватная пористость, желаемая фотостабильность,
заметная долговечность и стабильность, особенно при хранении, низкая стоимость,
низкое содержание мономера и других остатков, хорошая способность к
5
биологическому разложению без выделения токсичных веществ во время
разложения, pH нейтральность, должен быть бесцветным, не должен давать
никакого запаха и иметь способность к повторному смачиванию по мере
необходимости. Однако гидрогель не может обладать всеми упомянутыми выше
характеристиками, необходимо поддерживать баланс свойств в зависимости от
области применения. [10]
Гидрогели могут быть синтезированы несколькими «классическими»
химическими способами. К ним относятся одностадийные процедуры, такие как
полимеризация и параллельное сшивание многофункциональных мономеров, а
также многостадийные процедуры, включающие синтез полимерных молекул,
имеющих реакционноспособные группы, и их последующее сшивание, возможно,
также путем взаимодействия полимеров с подходящими сшивающими агентами.[3]
6
2. Раневые покрытия
В последнее время раневым покрытиям уделяется значительное внимание.
Раневые покрытия обеспечивают защитное и лечебное воздействие на рану с
использованием различных материалов и веществ путем их удержания на
необходимом участке тела больного. При этом интенсивнее других развивается
технология получения покрытий существенно отличающихся от традиционных
текстильных перевязочных средств в виде ватно-марлевых повязок, трикотажа.
Доминирующей
использование
тенденцией
современных
композиционных
биосовместимых
природных
и
раневых
полимерных
синтетических
повязок
матриксов
на
является
основе
полимеров. К материалам
биомедицинских матриксов для раневых повязок предъявляется широкий спектр
требований, причем первичные критерии отбора - отсутствие цитотоксичности,
биосовместимость, биоразлагаемость.
Различные типы ран различаются по размеру, форме и толщине, проявляются
различными
клиническими
шелушащиеся,
проявлениями,
гранулирующие
и
такими
как
эпителизирующиеся.
некротические,
Согласно
«теории
заживления влажных ран», идеальная раневая повязка должна содержать каркас
для поддержки роста клеток, формировать противоинфекционный барьер,
способствовать
естественному
свертыванию
крови,
блокировать
нервные
окончания для облегчения боли, поглощать раневой экссудат, обеспечивать
белками, необходимыми для заживления ран и укрепления новых тканей,
предотвращать вторичное инфицирование раны, иметь эластичность для
поверхностей со сложным рельефом и достаточную механическую прочность. [7]
Раневое покрытие должно обеспечить оптимальную микросреду для
заживления ран при отсутствии пирогенного и токсического действия, не
оказывать местного раздражающего и аллергического действия.
К преимуществам раневых покрытий на основе композиционных матриксов
следует
отнести
возможность
включения
лекарственных
веществ
(антибактериальных, антисептических, противовоспалительных, влияющих на
7
репаративные процессы) и получение прозрачных покрытий для визуального
наблюдения за раной. [2]
8
3. Полимерные гидрогели как основа раневых покрытий
Заживление ран - сложный процесс, а эффективное восстановление кожи огромная клиническая задача. В последнее время гидрогели имеют большие
перспективы в области перевязочных материалов для ран, поскольку их
физические свойства очень похожи на свойства живой ткани и обладают
превосходными
свойствами,
такими
как
высокое
содержание
воды,
кислородопроницаемость и мягкость.
По сравнению с традиционными раневыми повязками, такими как марля и
повязка, гидрогель может поглощать и удерживать больше воды, не растворяясь и
не теряя своей трехмерной структуры, что позволяет избежать вторичного
повреждения и способствует заживлению ран. Обычно его используют в виде
плоской повязки в виде листа различной формы или в виде сыпучего геля, который
может подходить для различных типов ран. [13]
Более того, гидрогелевые раневые повязки могут физически прилипать к
границе раздела тканей или вступать в реакцию с активными группами природных
тканевых белков, обеспечивая химическую адгезию за счет конструкции, тем
самым герметизируя рану и ускоряя гемостаз. [15]
Гидрогелевые
повязки
также
могут
выполнять
хорошую
противовоспалительную функцию за счет введения противовоспалительных
компонентов или регулирования рН раневой микросреды. Они могут снижать
температуру раны и расширение кровеносных сосудов в ране, оказывая давление
на периферические нервные волокна, тем самым уменьшая боль у пациентов. Изза их высокой пористости, гидрогели могут обеспечить клеткам оптимальный
газообмен и поступление питательных веществ, что благоприятно сказывается на
заживлении ран. [4]
Главными техническими особенностями гидрогелевых раневых повязок являются:
– Механическая прочность (предпочтительный размер частиц и пористость)
– Нетоксичность
– Отличная водопоглощающая способность (обеспечивает теплую, влажную среду
для быстрого и эффективного процесса заживления)
9
– Инфекционный контроль
– Биосовместимость
– Воздухопроницаемость (преобразование газа)
–
Биологическая
активность
(такая
как
гемостатическая
активность,
антибактериальная активность и неиммуногенность)
– Максимальная способность к биологическому разложению без образования
токсичных групп
Современные гидрогелевые раневые повязки, как правило, нацелены только
на один период заживления раны, например, на гемостаз на начальной стадии
заживления раны и на антибактериальные и противовоспалительные свойства при
заживлении раны. [9]
Как
только
традиционная
гидрогелевая
повязка
повреждается,
ее
механические свойства трудно восстановить. Однако введение нековалентных
связей с функцией самовосстановления (гидрофобное взаимодействие, водородная
связь, электростатическое притяжение, кристаллизация и т.д.) или обратимых
динамических ковалентных связей (ацилгидразоновая связь, иминовая связь,
реакция
Дильса-Альдера
и
т.д.),
поможет
получить
высокопрочную
и
самовосстанавливающуюся гидрогелевую систему. [12]
Выбор сырья в значительной степени определяет регенеративные свойства
гидрогелевой повязки для ран. Гидрогели на основе природных полисахаридов/
белков обладают как эксплуатационными преимуществами полисахаридов, так и
белков, в том числе: (1) структура и свойства аналогичны внеклеточному матриксу;
(2) отличная биосовместимость, отсутствие реакций отторжения тканями человека;
(3) хорошая биологическая активность с антибактериальным и снижающим
уровень холестерина действием; (4) способствует росту эпителиальных клеток и
ускоряет заживление ран; (5) отсутствует активный центр и адгезия тканей. [10]
Однако современные гидрогели на основе полисахаридов/белков все еще имеют
определенные
недостатки,
такие
как
плохие
механические
свойства,
однофункциональность, плохое повторное набухание и сложная конструкция,
10
которые значительно ограничивают применение природных гидрогелей на
биологической основе. [7]
Напротив, синтетические гидрогели могут лучше контролировать структуру
матрицы и обладают сильными механическими свойствами, однако их
биологическая
активность,
биосовместимость
и
свойства
к
разложению
относительно низки. Соответственно, в настоящее время методом решения таких
проблем является комбинирование искусственных синтетических материалов
(таких
как
поливиниловый
спирт
и
полиэтиленгликоль)
и
природных
биополимеров (таких как коллаген, хитозан и альгинат) посредством различных
процессов сшивания.
В результате сочетание натуральных и полимерных материалов в
значительной степени способствовало инновационному развитию гидрогелевых
раневых повязок. [14]
11
4. Стратегия разработки и эффективность гидрогеля
Рисунок 1. Приготовление гидрогеля.
Рисунок 2. (а) Стратегия разработки приготовления гидрогеля PDA-clayPAM. (b) Гидрогель PDA-clay-PAM показал отличную адгезию к различным
поверхностям: стеклу, титану, гидрофильным камням, гидрофобным листьям и
двум свежим органам. (c) Прочность сцепления гидрогелей со свиной кожей
проверялась с помощью испытаний на адгезию при растяжении. (d) Гидрогель
12
может прилипать к коже рук и легко снимается, не причиняя никакого вреда или
аллергии, и не оставляет следов. [8]
Таваколян
и
антибактериального
его
коллеги
гидрогеля
из
исследовали
натуральной
раневые
целлюлозы,
повязки
в
из
которых
модифицированный карбоксилцеллюлозой гидрогель был биоконъюгирован с εполи-1-лизином
(природным
полиамидом),
ковалентно
присоединенным.
Модифицированный гидрогель проявил высокую антибактериальную активность в
отношении грамположительных и отрицательных бактерий и ингибировал
образование биопленок. После обработки бактерий гидрогелем в течение 3 ч 99,5%
P. aeruginosa и 98,5% S. aureus были деактивированы.
К настоящему времени разработано несколько коммерческих раневых
повязок на основе гидрогеля, в том числе: гидроколлоиды (например,
гидроколлоидная повязка 3M™ Tegaderm™ ), натуральные клеи (например,
фибриновые клеи, биоклей) и синтетические полимеры. Однако они также
обладают некоторыми очевидными недостатками, такими как накопление
экссудата, вызывающего размножение бактерий в ране, низкой механической
прочностью. [12]
13
Заключение
Разработка высокоадгезивных гидрогелей в качестве раневых повязок
быстро развивается. Согласно статистике, многие адгезивные гидрогели в качестве
раневых повязок уже применяются в клинике и имеют хорошие перспективы
применения. Более того, их число растет из года в год. С быстрым развитием
технологий обработки, таких как 3D-биопечать, может скоро появиться новое
поколение раневых повязок на основе гидрогеля. [6]
Большинство современных работ по антибактериальным гидрогелевым
повязкам сосредоточены на общем заживлении ран и антибактериальном эффекте,
но игнорируют продолжительность и эффективность действия повязок. Поэтому
важно разработать антибактериальные гидрогелевые раневые повязки, которые
имеют точное время действия. Кроме того, в будущих исследованиях следует
сосредоточить внимание как на конкретной эффективности гидрогелевых повязок,
применяемых в разные дни, так и на времени отказа после применения
гидрогелевых повязок. [11]
Инновационная разработка гидрогелевых раневых повязок нуждается в
дальнейшем совершенствовании в следующих аспектах: (1) необходимо
расширить типы гидрогелевых сетчатых материалов. Из-за ограничений
природных
полимерных
материалов
и
биосовместимости
синтетических
полимерных материалов разработка гидрогелей, сочетающих натуральные и
синтетические
полимеры,
повысит
эффективность
и
дополнительные
характеристики (такие как адгезия к тканям и механическая прочность)
гидрогелевых раневых повязок. (2) следует изучить удобные в использовании
гидрогели
с
высокой
прочностью
и
свойствами
самовосстановления.
Самовосстанавливающиеся гидрогели можно наносить на раны различных типов и
форм, и ожидается, что они решат проблемы местных повреждений, которые
трудно покрыть традиционными повязками, а также продлят срок службы
гидрогелевых повязок для ран и повысят их безопасность. [15]
14
Список использованной литературы
1. А.А. Артюхов. Полимерные гидрогели сшитого поливинилового спирта и его
сополимеров и их биомедицинское применение – Москва, 2017.
2. М.В. Макаренко, В.П. Курченко, С.А. Усанов. Современные подходы к
разработке раневых покрытий. Институт биоорганической химии НАН Беларуси,
Минск, Беларусь. – 2016, том 11, часть 1.
3. С.И. Хмельницкий, Д.Е. Лесовой. Перспективы использования суперпористых
гидрогелей и их композиций на основе поливинилового спирта в новых
медицинских технологиях//Киевский медицинский институт УАНМ. – 2008.
4. Ben Jia, Guowei Li, Ertai Cao, Jinlong Luo, Xin Zhao, Heyuan Huang - Recent
progress of antibacterial hydrogels in wound dressings. Materials Today Bio, China
(2023).
5. Burkert Sina, Schmidt Thomas, Gohs Uwe, Dorschner Helmut. Karl-Friedrich Arndt
cross-linking of poly(N-vinyl pyrrolidone) films by electron beam irradiation. Radiat
Phys Chem 2007;76(8-9):1324-8.
6. C. Vasile, D. Pamfil, E. Stoleru, M. Baican, New developments in medical applications
of hybrid hydrogels containing natural polymers, Molecules 25 (7) (2020) 1539-1606.
7. Dan Zeng, Shihong Shen, Daidi Fan, Molecular design, synthesis strategies and recent
advances of hydrogels for wound dressing applications. Chinese Journal of Chemical
Engineering. (2021) 308-320.
8. E.M. Ahmed, Hydrogel: preparation, characterization, and applications: a review, J.
Adv. Res. 6 (2015) 105-121.
9. F. Ullah, M.B. Othman, F. Javed, Z. Ahmad, H. Md Akil, Classification, processing
and application of hydrogels: a review, Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 57 (2015)
414–433.
10. H. Hu, F.J. Xu, Rational design and latest advances of polysaccharide-based
hydrogels for wound healing, Biomater. Sci. 8 (2020) 2084–2101.
11. Hong Pan, Daidi Fan, Wei Cao, Chenhui Zhu, Zhiguang Duan, Preparation and
characterization of breathable hemostatic hydrogel dressings and determination of their
effects on full-thickness defects, Polymers (2017) 727.
15
12. Liwei Zhang, Min Liu, Yajie Zhang, and Renjun Pei, Recent progress of highly
adhesive hydrogels as wound dressings. Biomacromolecules – 2020, pp. 10 of 49.
13. Ningning Yuan, Kan Shao, Shan Huang, Cheng Chen, Chitosan, alginate, hyaluronic
acid and other novel multifunctional hydrogel dressings for wound healing: A review.
International Journal of Biological Macromolecules – 2023.
14. W.E. Hennink, C.F. van Nostrum, Novel crosslinking methods to design hydrogels,
Adv. Drug Deliv. Rev. 64 (2012) 223–236.
15. Yu Chen, Chapter 1 – Properties and development of hydrogels. School of Material
Science and Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing, China (2019) 3-16.
16
ОТЗЫВ РУКОВОДИТЕЛЯ
О прохождении Учебной практики: практики по получению первичных
профессиональных умений и навыков, в том числе и навыков научноисследовательской деятельности
Малышенко Алины Дмитриевны
(ФИО студента)
Направление подготовки
(специальность)
Бакалаврская программа
18.03.01
Химическая технология
(шифр)
(наименование)
Химическая технология полимеров биоматериалов
(наименование)
Факультет
ИПУР
Группа
ПР-20
Практика проходила в соответствии с графиком учебного процесса.
Цель практики состоит в получении обучающимся первичных профессиональных умений и навыков
путем самостоятельного творческого выполнения задач, поставленных программой практики.
Задачами практики являются формирование у обучающихся первичного представления об
организации научно-исследовательской деятельности и системе управления научными исследованиями;
ознакомления с методологическими основами и практического освоения приемов организации, планирования,
проведения и обеспечения научно-исследовательской и образовательной деятельности, ознакомления с
деятельностью образовательных, научно-исследовательских и проектных организаций по профилю изучаемой
программы магистратуры; развитие у обучающихся личностно-профессиональных качеств исследователя.
Обучающийся успешно прошел практику в рамках установленного учебного графика,
подготовил и сдал отчетные документы.
Качество иллюстрационного материала отчета (графики, схемы, таблицы и т.д.):
a. отличное
b. хорошее
c. удовлетворительное
Выводы отчета четко обоснованы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .. . . ……………... .да / нет
Библиографические ссылки в отчете:
a. в основном за последние 10 – 15 лет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . да / нет
b. ссылки на патенты, диссертации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . да / нет
В ходе практики обучающийся продемонстрировал сформированность компетенций согласно учебному
плану:
способностью к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов в
соответствии с направлением и профилем подготовки (ОПК-3);
способностью организовывать самостоятельную и коллективную научно-исследовательскую работу,
разрабатывать планы и программы проведения научных исследований и технических разработок,
разрабатывать задания для исполнителей (ПК-1);
готовностью к поиску, обработке, анализу и систематизации научно-технической информации по теме
исследования, выбору методик и средств решения задачи (ПК-2);
способностью использовать современные приборы и методики, организовывать проведение
экспериментов и испытаний, проводить их обработку и анализировать их результаты (ПК-3).
Руководитель практики
Профессор
(должность)
(подпись)
Артюхов А.А.
(инициалы, фамилия)
17