Способ модификации углеродных сорбентов

 

Изобретение относится к области медицины и медицинской химии, может быть использовано для лечения экзо- и эндогенной интоксикации. Сущность изобретения: гемосорбент подвергают окислению 0,10-0,15 н. раствором гипохлорита натрия в течение 5-7 мин со скоростью 90-110 мл/мин из расчета 500 мл на 50 г сорбента. Технический результат: способ модификации приводит к увеличению эффективности процесса детоксикации при гемосорбции, снижению процента летательности, сокращению сроков и стоимости лечения. 4 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области медицины и медицинской химии, и может быть использовано для лечения экзо- и эндогенной интоксикации.

В условиях неуклонного мирового роста синтеза новых химических соединений количество острых экзогенных отравлений непрерывно возрастает, а смертность при этом достигает 5-10% (Goulding R. Use of coated adsorbent hemoperfusion in acute intoxication. In: Artificial kidney, artificial liver and artificial cells / Ed. T.M.S. Chang, New York, London: Plenum press, 1978. P. 135-142). В связи с этим в большинстве развитых стран мира сложилась "токсическая ситуация", которая нашла прямое отражение на здоровье человека (Роль гемодиализа и гемосорбции в комплексной терапии острых отравлений /О. В. Мурашов, В.А. Троцевич, В.Н. Падалка и др. //Врачеб. дело. - 1989. - N 5 - С. 102-104). В то же время не менее 1/3 больных, поступающих в клинику с такими осложнениями, как острая почечная и печеночная недостаточность, острый панкреатит, миоренальный синдром, перитонит, токсическая фаза ожоговой болезни и др., входят в труппу эндогенных токсикозов.

Все это неизбежно порождает вопросы о том, в какой степени организм человека может противостоять возрастающей химической агрессии и каковы при этом адаптационные возможности организма. Известно, что в процессе эволюции у человека выработались определенные способы адаптации организма к действию химических веществ, включающие такие механизмы, как метаболические, иммунологические, структурные, токсикокинетические и токсикодинамические. Эти механизмы включают преимущественно 3 группы реакций: энзиматическую биотрансформацию липофильных ксенобиотиков при участии цитохром Р-450 зависимых монооксигеназ печени (1-я фаза детоксикации), конъюгацию реактивных метаболитов и гидрофильных соединений (2-я фаза детоксикации), и, наконец, антиоксидантную защиту, объединяющую антирадикальные и антиперекисные механизмы (3-я фаза детоксикации). Весь этот комплекс реакций представляет собой универсальную биологическую систему естественной детоксикации организма.

В настоящее время значительный интерес в лечении экзо- и эндогенной интоксикации представляют немедикаментозные методы детоксикации (мембранные, сорбционные, электрохимическое окисление и др.) (Лопухин Ю.М., Молоденков М. Н. , 1978; Комаров Б.Д., Лужников Е.А., Шиманко И.И., 1981; Николаев В.Г., Стрелко В.В., Коровкин Ю.Ф., 1982; Горчаков В.Д., Сергиенко В.И., Владимиров В. В., 1989; Лопаткин Н.А., Лопухин Ю.М., 1989; Беляков Н.А., 1991; Петросян Э. А. , 1991). Из представленных методов положительный эффект сорбционных методов детоксикации можно считать доказанным при большинстве состояний, сопровождающихся эндо- и экзотоксемией. Сорбционная детоксикация является экстракорпоральной модификацией известного процесса адсорбции токсических веществ, который протекает интракорпорально на макромолекулах крови и других биологических жидкостей и служит одним из основных способов естественной детоксикации, защищающих организм от вредного воздействия самых распространенных химических факторов внешней среды (Комаров Б.Д., Лужников Е.А., Шиманко И.И., 1981).

Одним из наиболее эффективных способов сорбционной детоксикации считается гемосорбция, для широкого применения которого необходимо располагать широким ассортиментом адсорбентов, обладающих заданной и регулируемой пористостью, высокой удельной поверхностью, нетоксичностью и биосовместимостью. Наиболее важным преимуществом гемосорбции считается неспецифичность метода, а существенным недостатком является малая эффективность при интоксикациях гидрофобными ксенобиотиками (Лопухин Ю.М., Молоденков М.Н. \\ Гемосорбция. - М. Медицина, 1978).

Согласно литературным данным наиболее широко применяемыми гемосорбентами являются углеродные, обладающие свойствами сорбции и хемоабсорбции (Лопухин Ю. М. , Молоденков М.Н.\\ Гемосорбция. - М.: Медицина. - 1978; Картель Н.Т. Возможности терапевтического использования медицинских сорбентов на основе активированных углей \\ Эфферентная терапия. - 1995. - N 4. - С. 11-20).

Исходя из вышеизложенного одним из возможных путей усиления детоксикационного эффекта метода гемосорбции в лечении эндо- и экзогенной интоксикации является разработка технологии модификации гемосорбентов.

В настоящее время известны разнообразные способы модификации сорбентов медицинского назначения (введение в углеродную матрицу азота, серы и др. гетероатомов, усиление ионообменных и окислительно-восстановительных свойств углей, создание на поверхности различных кислородсодержащих групп, прививка на поверхность углеродных сорбентов функциональных комплексообразователей, модификация углеродных сорбентов штатными медицинскими комплексонами, иммобилизация на углеродных сорбентах биологически активных молекул (Картель Н.Т. Углеродные гемосорбенты на основе синтетических активных углей: Автореф. дисс. ... д-ра хим. наук. - Киев, 1989. - 37 с.).

Общеизвестным способом модификации углеродистых сорбентов является варьирование пористой структуры (молекулярная сорбция на основе ситового принципа) (Терновой К. С. , Картель Н.Т., Стрелко Н.К. Пористая структура активных углей как критерий анализа молекулярных механизмов гемосорбции и целенаправленного выбора гемосорбентов // Докл. АН УССР, сер. Б. - 1983, - N 9. - С. 80-84). К недостаткам рассматриваемого аналога можно отнести неспецифичность получаемых сорбентов и отсутствие универсального механизма действия за счет их узких сорбционных возможностей.

Известен также способ модификации активированного угля путем частичного окисления maghara - угля концентрированной азотной кислотой (HNO₃) и перманганатом калия (KMnO₄). Обработка окислителями позволила зафиксировать большое количество O-комплексов на поверхности углеродного материала, что привело к образованию ε-углерод-кислородных комплексов, которые действуют как активные сорбционные центры (Yossef A.M., Thazy T.M., El-Nabarawy Th. Moisture sorbtion by modified-activated carbons. "Carbon". - 1982. - V. 20. - N 2. - p. 113-116). К недостаткам представленного аналога следует отнести большую трудоемкость, многоэтапность процесса, работу во вредных условиях с использованием концентрированной азотной кислоты.

Таким образом, известные в настоящее время способы модификации гемосорбентов не удовлетворяют многим требованиям, что обусловливает необходимость разработки простых, экологически чистых и эффективных технологий, пригодных для использования в медицинской практике.

В качестве прототипа нами избран способ окислительной модификации гемосорбентов 0,1-0,15 н. раствором гипохлорита натрия в течение 30-40 мин из расчета 10-12 мл/г сорбента (Петросян Э.А., Сергиенко В.И., Сухинин А.А., заявка N 98110411 от 08.06.98 г.).

К недостаткам прототипа следует отнести вскрытие сорбционных колонок, трудоемкость технологии модификации и небольшую производительность.

Исходя из вышеизложенного предлагается способ процесса окислительной модификации сорбентов в условиях динамического режима, позволяющий получить высокий детоксицирующий эффект гемосорбентов.

Целью предлагаемого изобретения является повышение детоксицирующих свойств сорбентов путем разработки эффективной, экономически выгодной и экологически чистой технологии модификации гемосорбентов.

Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Создание экспериментальной установки для проведения опытов по модификации гемосорбентов в условиях динамической обработки их гипохлоритом натрия.

2. Подбор оптимальных концентраций раствора гипохлорита натрия в условиях динамической модификации гемосорбентов.

3. Подбор оптимальных объемных соотношений гемосорбент/раствор гипохлорита натрия в условиях динамической регенерации гемосорбентов.

Для модификации гемосорбентов может быть использована как частный вариант установка по их обработке гипохлоритом натрия в динамическом режиме (см. чертеж).

К преимуществам динамической модификации гемосорбентов относится прежде всего техническая простота и высокая скорость модификации, что позволяет значительно сократить время на технологию процесса за счет сокращения продолжительности стадии окисления сорбента гипохлоритом натрия. Кроме того, предложенная технология позволяет работать с большими объемами сорбентов, избегать предварительного вскрытия сорбционных колонок и проводить модификацию по закрытому контуру.

Сущность изобретения заключается в следующем: гемосорбент подвергают окислению 0,10-0,15 н. раствором гипохлорита натрия в течение 5-7 мин в динамическом режиме со скоростью 90-110 мл/мин из расчета 500 мл/50 г сорбента.

Способ осуществляют следующим образом. Используя предложенную технологию через сорбционную колонку, представляющую собой стандартный флакон с резьбой емкостью 100 мл с щелевой насадкой и содержащую 50 г навески гемосорбента в проточном режиме, пропускают в течение 5-7 мин 500 мл 0,1-0,15 н. раствор гипохлорита натрия со скоростью 90-110 мл/мин. Раствор подается снизу со скоростью, обеспечивающей "кипение" сорбента, что значительно повышает поверхность контакта сорбент/сорбат. Затем гемосорбент промывают в проточном режиме дистиллированной водой (не менее 1500 мл, до получения в промывных водах отрицательного результата на гипохлорит-анион. Отмытый сорбент и является конечной формой в технологии получения модифицированных гемосорбентов.

Гипохлорит натрия получают путем электролиза раствора хлористого натрия на аппарате "Электрохимический детоксикатор организма-3" (ЭДО-3). Концентрацию гипохлорита натрия определяли методом йодометрического титрования.

В лабораторных условиях проведены опыты в динамическом режиме по модификации гипохлоритом натрия 5-ти углеродных гемосорбентов (Симплекс-Ф, СКН-1К, СКТ-6А-ВЧ, ВНИИТУ-1, Гемосфер), обладающих достаточной механической прочностью, развитой системой транспортных макропор и высокой сорбционной поверхностью.

В качестве модельного сорбата используют фиксанальный раствор тиосульфата натрия, который обладает восстановительным характером и сорбируется на активированном угле, что позволяет нам использовать его в качестве маркера-сорбата в системе, сочетающей сорбцию и окисление. Степень модификации гемосорбентов оценивают по количеству сорбированного на угле гипохлорит-анионов.

Методика определения количества сорбированного на модифицированном гемосорбенте гипохлорит-аниона заключается в следующем: 50 г навески гемосорбента в сорбционной колонке обрабатывают 500 мл 0,1 н. раствора гипохлорита натрия в течение 5-7 мин (скорость подачи 90-110 мл/мин). По окончании времени обработки гемосорбент промывают дистиллированной водой до отсутствия в промывных водах гипохлорит-иона. Затем обработанный гемосорбент помещали в коническую колбу объемом 1 л и в течение 30 мин при постоянном перемешивании обрабатывают 500 мл 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, после чего йодометрическим титрованием определяли остаточную концентрацию тиосульфата натрия.

В контроле навеску 50 г исходного гемосорбента инкубируют в течение 30 мин при постоянном перемешивании с 500 мл 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, после чего йодометрически определяют остаточную концентрацию тиосульфата натрия. Количество сорбированного на угле гипохлорит-аниона (в граммах) определяли по формуле a = (D²Na₂S₂O₃ - D¹Na₂S₂O₃)·37.221, г, где D¹Na₂S₂O₃ - потери тиосульфата после первой сорбции (на немодифицированном сорбенте); D²Na₂S₂O₃ - потери тиосульфата после второй сорбции (на модифицированном сорбенте).

Опыты проводили не менее 5 раз и более, с последующей статистической обработкой полученных данных.

Как видно из табл. 1, максимальное повышение сорбционной способности гемосорбента СКН-1К происходит при его модификации 0,1-0,15 н. раствором гипохлорита натрия в течение 5-7 мин. При применении гипохлорита натрия с концентрацией ниже 0,1 н. раствора степень модификации гемосорбентов заметно снижается. Увеличение же концентрации гипохлорита натрия выше 0,15 н. раствора приводит к деструкции гемосорбентов. Подобная же зависимость обнаружена с длительностью перфузии гипохлорита натрия через гемосорбент, когда время сорбции гипохлорит-аниона менее 5 мин и более 7 мин не позволяет достичь желаемого результата. Аналогичные результаты были получены и на остальных гемосорбентах при выявлении зависимости между временем сорбции, концентрацией гипохлорита натрия и степенью модификации.

Проведенные стендовые исследования позволяют перейти к оценке степени детоксикации и гемосовместимости модифицированных сорбентов в динамических условиях, а также при операции гемосорбции на экспериментальных животных.

Для изучения детоксицирующих свойств модифицированных гемосорбентов проведено 6 стендовых опытов с использованием модельного маркера-сорбата (тиосульфата натрия).

Суть опыта состояла в том, что навеску исходного и модифицированного гемосорбента СКН-1К помещали в коническую колбу и 30 минут экспонировали при постоянном перемешивании с 500 мл 0,1 н. раствора тиосульфата натрия. По окончании времени экспозиции отбирали раствор тиосульфата натрия и йодометрическим титрованием определяли его концентрацию.

В результате проведенных опытов при сравнительной оценке детоксицирующих свойств немодифицированного и модифицированного гемосорбента СКТ-6А-ВЧ отмечено в 2,3 раза увеличение потерь тиосульфата натрия при сорбции на сорбенте, модифицированном гипохлоритом натрия (табл. 2).

Полученный результат свидетельствует, что при взаимодействии молекул тиосульфата натрия с модифицированным гемосорбентом сорбированный на активных центрах гипохлорит-анион конкурентно десорбируется, освобождая сорбционные центры с одновременным окислением тиосульфата натрия.

Эксперименты по изучению гемосовместимости модифицированных гемосорбентов на 10 образцах донорской крови показали, что в процессе перфузии 400 мл донорской крови через колонку с модифицированным гемосорбентом СКН-1К наблюдается снижение концентрации эритроцитов на 9,4±4% (p<0,05) по отношению к немодифицированным, что достоверно не отличается от снижения концентрации эритроцитов при сорбции на немодифицированном сорбенте (8,2±4%). Концентрация общего белка в крови имеет тенденцию к падению, однако падение недостоверно (p>0,05).

Полученные результаты позволили нам провести опыты на экспериментальных животных по изучению токсичности и пирогенности смывов с модифицированных гемосорбентов.

Изучение токсичности смывов с 5 модифицированных сорбентов (Симплекс-Ф, СКТ-6А-ВЧ, ВНИИТУ-1, СКН-1К, Гемосфер) было проведено на 40 белых мышах, разделенных на две равные группы по 20 животных в каждой (Лопухина Ю.М., Молоденков М.Н. Гемосорбция / М. Медицина. - 1978. - С. 43-44).

В первую группу вошли мыши, которым подкожно вводили 0,1 мл смыва физиологического раствора с модифицированного гемосорбента, в то время как животным второй группы вводили 0,4 мл смыва внутрибрюшинно. За состоянием животных наблюдали в течение 10 дней.

В результате проведенных опытов не было отмечено каких-либо изменений со стороны поведения и общего состояния животных. Все мыши в течение наблюдаемого срока были клинически здоровы.

Оценку реакции организма экспериментальных животных на пирогенность смывов с модифицированных сорбентов проводили по методике Джиордано К. (Сорбенты и их клиническое применение. - Киев: Выща школа, 1989. - С. 89-90).

Опыты проведены на 75 кроликах с использованием смывов с 5 модифицированных сорбентов (Симплекс-Ф, СКТ-6А-ВЧ, ВНИИТУ-1, СКН-1К, Гемосфер).

Суть опыта заключалась в том, что 3-м кроликам приблизительно одинаковой массы 3,3-3,6 кг, породы Шиншилла одновременно вводили смывы физиологического раствора с модифицированного гемосорбента в ушную вену из расчета 10 мл/кг массы тела. У животных проводили регистрацию температуры тела через каждый час в течение 3-х часов после инъекции. При этом, если сумма трех индивидуальных максимальных повышений температуры не превосходила 1,15^oC, то эксперимент на отсутствие пирогенов считался положительным.

Проведенные опыты на присутствие пирогенов в смывах с изучаемых модифицированных гемосорбентов не выявили превышения допустимой температурной реакции у экспериментальных животных. Аналогичные результаты были получены со всеми вышеперечисленными гемосорбентами, что позволило нам говорить об отсутствии пирогенной реакции у изучаемых модифицированных гемосорбентов по предложенной технологии (табл. 3).

Для оценки детоксицирующих свойств модифицированных гемосорбентов была выбрана модель гексеналового сна, выполненная на 10 собаках (Розин Г.Д. Сравнительная оценка токсичности хлорпроизводных углеводородов жирного ряда по гексеналовому тесту на белых мышах // Фарм. и токсикол. - 1964. - N 5. - С. 613-614). Модель воспроизводилась путем внутривенного введения гексенала из расчета 0,04 г/кг массы тела животных. В норме продолжительность гексеналового сна у собак составила (105±10) мин.

Гемосорбция проводилась на гемосорбенте СКН-1К с использованием аппарата УАГ-01 со скоростью 40-50 мл/мин, объем сорбента 50 мл. Подключение осуществлялось по вено-венозному контуру. Модификация гемосорбента проводилась по методике, указанной выше. Для профилактики тромбообразования до гемосорбции внутривенно вводили гепарин в дозе 500 ЕД/кг. По окончанию гемосорбции действие гепарина нейтрализовали внутривенным введением протамин-сульфата из расчета 1,5 мг на 1 мг гепарина. Гемосорбция прекращалась после появления устойчивого роговичного рефлекса.

В эксперименте использованы по 5 собак в контрольной и опытной группе. Гемосорбция проводилась на исходном и модифицированном сорбенте СКН-1К (50 мл).

В результате проведенной гемосорбции на модифицированных сорбентах продолжительность гексеналового сна достоверно уменьшается на 25-35% по сравнению с гемосорбцией на немодифицированных УС (табл. 4).

Проведенные исследования по изучению степени детоксикации при гемосорбции на регенерированных и исходных сорбентах показали уменьшение продолжительности сна на 24-35% по сравнению с продолжительностью сна у животных при сорбции на немодифицированных гемосорбентах.

Аналогичные результаты получены и на других регенерированных образцах гемосорбентов.

Таким образом, материалы стендовых и экспериментальных опытов на модифицированных гемосорбентах, представленные в данной заявке, свидетельствуют о принципиально новом подходе к их возможному использованию в клинической практике и открывают перспективы достижения положительных результатов в лечении широкого круга заболеваний. Разработанная технология является экологически чистой, высокоэкономичной и достаточно простой для налаживания производственных мощностей.

Способ иллюстрирован следующими примерами.

Пример 1: Для проведения модификации гемосорбента СКН-1К гипохлоритом натрия сорбционную колонку, представляющую собой стандартный флакон объемом 100 мл со щелевой насадкой, содержащий 50 г навески гемосорбента, обрабатывали 0,050 н. раствором гипохлорита натрия в течение 10 мин 1000 мл гипохлорита натрия. По окончании модификации гемосорбент промывали 1500 мл дистиллированной воды до отрицательного результата на присутствие в промывных водах гипохлорит-аниона. Обработанный подобным образом гемосорбент инкубировали в течение 30 мин с 500 мл 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, после чего методом йодометрического титрования определяли остаточную концентрацию тиосульфата натрия.

В контрольном опыте 50 г навески гемосорбента инкубировали в течение 30 мин с 500 мл 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, после чего методом йодометрического титрования определяли остаточную концентрацию тиосульфата натрия.

Количество сорбированного на угле гипохлорит-аниона (в граммах) определяли по формуле, приведенной выше.

Сорбция гипохлорита натрия в данном примере составила (0,280±0,024) г на 1 г сорбента.

Пример 2: Через колонку с 50 г навески гемосорбента СКН-1К перфузировали 1000 мл 0,1 н. раствор гипохлорита натрия в течение 5 минут. Проведение опыта и оценку результатов проводили аналогично описанному в примере 1.

Сорбция гипохлорита натрия в данном примере составила (0,635±0,077) г на 1 г сорбента.

Пример 3: Через колонку с 50 г навески гемосорбента СКН-1К перфузировали 500 мл 0,147 н. раствора гипохлорита натрия в течение 5 минут. Проведение опыта и оценку результатов проводили аналогично описанному в примере 1.

Сорбция гипохлорита натрия в данном примере составила (0,692±0,059) г на 1 г сорбента.

Пример 4: Через колонку с 50 г навески гемосорбента СКН-1К перфузировали 500 мл 0,193 н. раствора гипохлорита натрия в течение 5 минут.

Перфузия раствором гипохлорита натрия столь высокой концентрации вызывает деструкцию гемосорбента, что свидетельствует о неприемлемости выбранных параметров технологии модификации.

Аналогичные результаты получены нами у остальных гемосорбентов (Симплекс-Ф, СКТ-6А-ВЧ, ВНИИТУ-1, Гемосфер).

Медико-социальная эффективность. Предлагаемое изобретение при использовании будет способствовать повышению эффективности лечения больных с экзо- и эндогенной интоксикацией, снижению процента летальности, сокращению сроков и стоимости лечения. Предлагаемая технология модификации гемосорбентов является достаточно простой, экологически чистой, высокоэкономичной и не требует дорогостоящего оборудования.

Формула изобретения

Способ модификации гемосорбентов, включающий окисление, отличающийся тем, что окисление осуществляют 0,10-0,15 н. раствором гипохлорита натрия в течение 5-7 мин со скоростью 99-110 мл/мин из расчета 500 мл на 50 г сорбента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5