Способ обработки углеродного мезопористого гемосорбента

Изобретение относится к технологии получения углеродных сорбентов, применяемых для гемосорбции при лечении заболеваний, связанных с накоплением в организме человека токсических веществ определенной природы. Способ обработки углеродного гемосорбента включает обработку пористого углеродного материала воздухом при контактировании с воздушно-водяной смесью в кипящем слое и дополнительную обработку гемосорбента в стационарном слое 4-6%-ным раствором азотной кислоты, подаваемым в зону реакции порциями через определенные интервалы времени, с последующей подачей воздуха с объемной скоростью 8 м³/ч для перемешивания сорбента. Обработку кислотой проводят в течение 7 часов, соотношение кислоты к сорбенту составляет 1:(29-32). Полученный сорбент сушат при 200°С до остаточной влажности 0,2%. Изобретение позволит получить сорбент с высокой адсорбционной активностью к азотсодержащим токсичным соединениям небелковой природы: билирубину, креатинину, мочевине. 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии получения углеродных сорбентов, применяемых для гемосорбции при лечении заболеваний, связанных с накоплением в организме человека токсических веществ определенной природы.

Известен способ получения сорбента для медицины, включающий выдерживание активированного угля в кипящей дистиллированной воде в течение 45 мин, охлаждение полученной суспензии и последующее пропускание через нее углекислого газа для снижения значения рН активированного угля до 7,0-8,7 (патент РФ №2036139, кл. МПК С01В 31/08).

Недостатками данного способа являются: невысокая степень удаления углеродной пыли с поверхности и пор угля, низкая производительность процесса.

Известны способы получения углеродных гемосорбентов на основе природного углеродсодержащего сырья: торфа (СКТ-6А), смеси каменного угля со смоляными остатками гидролиза древесины (АР-3) путем его термического разложения без доступа воздуха и последующего активирования водяным паром или с помощью химических реагентов (Лопухин Ю.М., Молоденков М.Н. Гемосорбция, 1985. - М.: Медицина. - С.23).

Полученные по такой технологии углеродные гемосорбенты обладают рядом недостатков: высоким содержанием минеральных примесей, требующим дополнительной обработки с целью снижения их количества (до 2%); низкой механической прочностью гранул; преимущественно микропористой структурой и "агрессивностью" по отношению к форменным элементам крови.

Известны способы получения углеродных гемосорбентов на основе полимерных материалов путем пиролиза и последующего активирования водяным паром гранул исходного сырья сферической формы и определенного размера (ФАС). Данные сорбенты характеризуются высокой прочностью гранул, имеющих гладкий рельеф поверхности; невысоким содержанием минеральных примесей (0,1%) (патент РФ №2026813).

Недостатком синтетических сорбентов типа ФАС, неспецифических по характеру взаимодействия и способных к удалению широкого спектра веществ, является низкая избирательность сорбции соединений определенной природы, в частности невысокая адсорбционная активность по отношению к билирубину и креатинину, инертность по отношению к мочевине.

Известен способ повышения адсорбционной активности углеродных адсорбентов по отношению к азотсодержащим соединениям: билирубину, креатинину, мочевине, путем модифицирования химической природы их поверхности. Покрытие поверхности сорбента ГС-01 полимерной пленкой, снижающей количество катионогенных карбоксильных групп в 2 раза, повышает его адсорбционную активность по отношению к билирубину в сравнении с сорбентами СКН-К и СКТ-6А, имеющих более развитую мезопористую структуру (Горчаков В.Д., Сергиенко В.И., Владимиров В.Г. Селективные сорбенты. - М.: Медицина, 1989. - 224 с.).

Однако полимерное покрытие изменяет пористую структуру поверхности сорбентов и кинетику процесса сорбции, снижает эффективность применения сорбентов в экстренных случаях.

Известен способ повышения сорбционной активности по отношению к креатинину, альбумину, мочевине углеродных сорбентов СКН-1К, СКН-4М, СКН_о, СКТ-6А, актилена А поляризацией поверхности (катодной, анодной), изменяющей величину и знак ее потенциала (Л.С Тихонова, М.В Белоцерковский, А.Ю Дубикайтис и др. Влияние поляризации активированного угля на адсорбцию мочевины, креатинина и альбумина // Журнал прикладной химии. 1992. - Т.65. - №9. - С.2050-2052). Однако сложность процедуры и влияние поляризации сорбента на свойства биологической жидкости существенно ограничили применение данного метода.

Наиболее близким к предлагаемому является способ обработки углеродного гемосорбента, включающий контактирование водной суспензии гранул углеродного пористого материала с воздушно-водяной смесью в псевдоожиженном слое путем подачи струй воздушно-водяной смеси в реактор снизу вверх под слой материала. Обработку углеродного материала ведут до достижения величины рН 6,0-7,0 и практически полного обеспыливания его поверхности. Далее осуществляют сушку полученного продукта при температуре 200°C (патент РФ №2211727, прототип). Полученный углеродный мезопористый гемосорбент ВНИИТУ-1 полностью соответствует требованиям медицины, предъявляемым к сорбционным материалам, находящимся в контакте с кровью и другими биологическими жидкостями живого организма. Гемосорбент характеризуется высокой химической чистотой (содержание углерода не менее 99,5%), минимальным содержанием минеральных примесей (не более 0,15%), практическим отсутствием углеродной пыли на поверхности и в порах гранул округлой формы размером 0,5-1,0 мм; гладким рельефом поверхности, допускающим возможное уменьшение содержания форменных элементов крови после контакта с ним не более 10-15%, удельной адсорбционной поверхностью 300-400 м²/г, присутствием кислородсодержащих групп кислотного характера в количестве 0,060-0,070 мэкв/г, из них содержание карбоксильных групп 0,051-0,058 мэкв/г, фенольных 0,009-0,012 мэкв/г. Кроме того, гемосорбент ВНИИТУ-1 характеризуется высокой термической и химической стойкостью, легкостью стерилизации (Суровикин В.Ф., Пьянова Л.Г., Лузянина Л.С. Новые гемо- и энтеросорбенты на основе нанодисперсных углерод-углеродных материалов // Российский химический журнал. 2007. - Т. LI. - №5. - Стр.159-165).

К недостатку данного способа в контексте настоящего изобретения следует отнести получение продукта с недостаточной адсорбционной активностью по отношению к азотсодержащим соединениям небелковой природы.

Целью изобретения является получение углеродного гемосорбента с высокой адсорбционной активностью к азотсодержащим токсичным соединениям небелковой природы: билирубину, креатинину, мочевине.

Предлагаемый способ обработки углеродного гемосорбента включает обработку пористого углеродного материала воздухом при контактировании с воздушно-водяной смесью в кипящем слое, затем обработку гемосорбента в стационарном слое 4-6%-ным раствором азотной кислоты, подаваемым в зону реакции порциями через определенные интервалы времени, с последующей подачей воздуха с объемной скоростью 8 м³/ч для перемешивания сорбента в растворе, причем продолжительность обработки кислотой составляет 7 часов, а соотношение кислоты к сорбенту составляет 1:(29-32).

Отличительными признаками данного изобретения являются:

- обработка гемосорбента в стационарном слое 4-6%-ным раствором азотной кислоты, подаваемым в зону реакции порциями через определенные интервалы времени, с последующей подачей воздуха с объемной скоростью 8 м³/ч для перемешивания сорбента в растворе;

- проведение обработки в течение 7 ч при комнатной температуре до величины рН сорбента 4-5;

- соотношение кислоты к сорбенту составляет 1:(29-32).

Предлагаемая по заявке совокупность существенных признаков позволила повысить адсорбционную активность гемосорбента к азотсодержащим токсичным соединениям небелковой природы: билирубину, креатинину, мочевине.

При контакте гемосорбента с биологической жидкостью организма (кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость и другие) происходит перераспределение растворенных в ней компонентов между двумя фазами. Процесс в значительной степени определяется структурой и химической природой (наличием кислорода и химической структурой образуемых им групп) поверхности сорбента, химической природой адсорбируемого компонента.

Изменение химической природы поверхности сорбента - общего содержания кислородных групп и распределения их по группам различного химического характера - значительно изменяет адсорбционные свойства сорбента по отношению к веществам определенной природы. Кислородные группы кислотного характера (карбоксильные, фенольные), являющиеся специфическими адсорбционными центрами углеродной поверхности, дополняют адсорбцию соединений по основному механизму - молекулярному, адсорбцией за счет ионного обмена, водородной связи, образования комплексов, электростатического взаимодействия.

Химическим и спектральным методами анализа химической структуры поверхности полученного углеродного мезопористого гемосорбента установлено присутствие на поверхности кислородсодержащих групп в количестве 0,040-0,050 мэкв/г, в том числе - карбоксильных 0,025-0,030 мэкв/г и фенольных 0,015-0,020 мэкв/г.

Определения основных физико-химических характеристик углеродных сорбентов проводились стандартными методами, применяемыми при исследовании пористых материалов: адсорбционная поверхность, пористая структура поверхности - по изотермам адсорбции-десорбции стандартного инертного газа азота, снятых опытным путем на объемной вакуумной статической автоматизированной установке "Sorptomatic-1900". Расчет величины адсорбционной поверхности гемосорбента произведен по уравнению БЭТ. Количественное содержание кислородсодержащих групп определено химическим методом (метод Боэма) по их взаимодействию с химическими реагентами различной природы, качественный состав - методом ИК-спектроскопии.

Обработку поверхности гранул углеродного сорбента раствором азотной кислоты проводят в стационарном слое в реакторе, описанном ранее в патенте №2211727 «Способ обработки гранул углеродного материала для гемо- и энтеросорбции и реактор для его осуществления». Углеродный гемосорбент после обработки в кипящем слое воздушно-водяной смесью промывают в реакторе дистиллированной водой при соотношении воды к сорбенту 2:1, проходящей снизу вверх через его слой. Часть воды удаляют из реактора, оставляя над поверхностью сорбента слой высотой 20-25 см. Вливают в реактор 4-6%-ный раствор азотной кислоты порциями через определенные интервалы времени, каждый раз перемешивая сорбент в растворе воздухом с объемной скоростью 8 м³/ч. Соотношение кислоты к сорбенту составляет 1:(29-32). Обработку проводят в течение 7 ч при комнатной температуре до величины рН сорбента 4-5.

Для иллюстрации изобретения приведены следующие примеры.

Пример 1 (по прототипу)

50 кг углеродного мезопористого материала засыпают через загузочное устройство в реактор и подают снизу вверх под слой материала воздушно-водяную смесь, создающую псевдоожиженный слой. Обработку материала проводят до полного удаления ультрадисперсных углеродных частичек (пыли) с поверхности и пор материала, снижения величины его рН до 6,0-7,0. Промывают полученный продукт дистиллированной водой с рН 5,3-5,6, пропуская ее снизу вверх через слой сорбента в реакторе в соотношении с сорбентом 2:1. Сорбент выгружают из реактора, сушат при температуре 200°С до остаточной влажности 0,2%. Полученный углеродный мезопористый гемосорбент ВНИИТУ-1 содержит на поверхности кислородные группы кислотного характера в количестве 0,066 мэкв/г, в том числе карбоксильных 0,056 мэкв/г, фенольных 0,010 мэкв/г.

Пример 2

Аналогично примеру 1 проводят обработку углеродного пористого материала в реакторе в псевдоожиженном слое воздушно-водяной смесью до достижения величины рН 6,0-7,0 и практически полного обеспылевания поверхности. Промывают сорбент в реакторе дистиллированной водой в соотношении с сорбентом 2:1, пропуская ее через слой сорбента снизу вверх. Удаляют основную часть воды из реактора, оставляя на поверхности сорбента слой воды высотой 25 см. Вливают в реакционную зону 1,3 л 5%-ой азотной кислоты, перемешивают сорбент в растворе воздухом с объемной скоростью 8 м³/ч. Обработку проводят в течение 4-х часов, каждый час перемешивая сорбент в растворе кислоты воздухом. По истечении 4-х часов вливают в реакционную зону 0,2 л кислоты и через 1 ч добавляют еще 0,2 л кислоты, каждый час перемешивая сорбент в растворе воздухом. Промывают сорбент дистиллированной водой и сушат при температуре 200°С до остаточной влаги 0,2% и отсутствия качественной реакции на наличие нитратов. Полученный углеродный мезопористый гемосорбент содержит на поверхности кислородные группы кислотного характера в количестве 0,043 мэкв/г, в том числе карбоксильных 0,025 мэкв/г, фенольных 0,018 мэкв/г.

Для исследования влияния изменения химической структуры поверхности гемосорбента на его адсорбционную активность по отношению к токсическим азотсодержащим веществам небелковой природы - билирубину, креатинину, мочевине, проведены стендовые испытания разработанного сорбента в Центральной научно-исследовательской лаборатории Омской государственной медицинской академии. Испытания проведены на плазме больных перитонитом, результаты испытаний представлены в таблице.

Биохимические показатели плазмы крови больных перитонитом при испытаниях адсорбционной активности углеродных гемосорбентов
Показатель	Содержание токсических веществ в плазме крови больных
	В исходной плазме (n*=14)	После контакта плазмы с гемосорбентом
гемосорбент до обработки раствором кислоты	гемосорбент после обработки раствором кислоты
Фракция молекул со средней массой, ед.	0,632±0,077	0,519±0,068	0,465±0,054
Билирубин общий, мкмоль/л	30,39±4,98	29,12±4,58	21,63±1,35
Мочевина, ммоль/л	4,58±0,760	4,31±0,821	3,18±0,488
Креатинин, мкмоль/л	72,72±5,901	64,44±7,740	36,71±7,690
Аммиак, мкмоль/л	22,33±2,102	13,89±0,949	13,62±1,068
n* - количество проб плазмы

Как следует из таблицы, предлагаемый гемосорбент при контакте с плазмой крови больных перитонитом снижает количество креатинина в 2 раза по отношению к исходному значению, примерно на 30% уменьшает содержание билирубина и мочевины, аммиак оба сорбента выводят из плазмы крови практически одинаково.

Представленные в таблице экспериментальные данные позволяют сделать вывод о повышенной (по сравнению с прототипом) адсорбционной активности предлагаемого углеродного гемосорбента по отношению к азотсодержащим соединениям небелковой природы - билирубину, креатинину, мочевине, что приведет к значительному повышению эффективности процесса гемосорбции и всей процедуры детоксикации организма человека при лечении острых и хронических эндотоксикозов, наблюдаемых при перитонитах.

Способ обработки углеродного гемосорбента, включающий обработку пористого углеродного материала воздухом при контактировании с воздушно-водяной смесью в кипящем слое и последующее высушивание целевого продукта, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют обработку гемосорбента в стационарном слое 4-6%-ным раствором азотной кислоты, подаваемым в зону реакции порциями через определенные интервалы времени, с последующей подачей воздуха с объемной скоростью 8 м³/ч для перемешивания сорбента, причем время обработки кислотой составляет 7 ч, а соотношение кислоты к сорбенту составляет 1:(29-32).