1.5.2 Применение коллагена в технических целях

Коллаген также находит применение в полиграфии, при производстве фотоплёнок, телевизионных трубок и видеокамер, а также используется в качестве держателя кремниевых чипов в компьютерах и микропроцессорах, в красках для автомобилей и как клей.

Коллагеновые клеи — большая группа белковых (животных) клеев — широко используются при создании и реставрации произведений масляной живописи. Клеи такие часто называют животными — и в какой-то степени это правильно, но клеев животного происхождения множество.

Для хранения приготовленные коллагеновые клеи высушивают и по мере надобности распускают в теплой дистиллированной воде. Высушивание производят следующим образом. Клей выливают на полиэтиленовые пленки, которыми застланы фотокюветы, так, чтобы слой был толщиной до 2 см. Ставят их в прохладное помещение или в холодильник для желатинизации состава. С пленок застуденевшийся клей перекладывают на рабочий стол или планшет и ножом нарезают небольшими квадратиками. Полученные кусочки или раскладывают на пленку, или нанизывают на капроновую жилку и высушивают. Хранят в сухом прохладном помещении или в холодильнике. Клеи нужной концентрации приготавливают непосредственно на объекте [27].

Костный клей — клей, изготовленный из костей животных. Основной компонент — желатин, образуемый при денатурации коллагена. Для получения клея кости животных очищают, дробят, обезжиривают, обрабатывают слабым раствором сернистой кислоты для удаления минеральных солей и затем варят в специальных аппаратах, в которых кости подвергаются многократному воздействию пара и воды. В результате такой обработки имеющийся в костях коллаген переходит в глютин, который является клеящим веществом.

Костный клей выпускают в виде сухих плиток от тёмно-жёлтого и до тёмно-коричневого цвета, имеющих влажность 17%.

Мездровый клей вырабатывается из мездры (изнанки невыделанной кожи), а также обрезков кожи. Помимо желатина, в мездровом клее содержатся олигопептиды, образуемые при гидролизе кератина. За счёт высокого содержания цистеина эти олигопептиды при схватывании и высыхании клея образуют дисульфидные мостики, благодаря чему достигается особая прочность клеевого соединения.

Костный клей применяют для склеивания древесины, ДСП, ДВП в мебельной, деревообрабатывающей, бумажной, полиграфической, спичечной и других отраслях промышленности, а также в быту в качестве столярного клея.

В настоящее время употребление костного клея существенно снизилось благодаря появлению синтетических полимерных смол и клеёв.

Мездровый клей применяют для прочного склеивания древесины, когда требуется натуральность клея, например, в иконописи [28].

1.5.3 Применение коллагена в медицине

Появление продуктов растворения коллагена (ПРК) расширило возможности широкого применения коллагена в различных областях медицины. Явным достоинством коллагена и полученных на его основе коллагеновых материалов для медицины является отсутствие токсических и канцерогенных свойств, слабая антигенность, высокая механическая прочность и устойчивость к тканевым ферментам, регулируемая скорость лизиса в организме, способность образовывать комплексы с биологически активными веществами, стимуляция регенерации собственных тканей организма [29].

В медицине рыбный коллаген и продукты его гидролиза широко применяют в виде различных пленок, губок, ниток, трубок, повязок, пластырей и других препаратов для лечения ран, ожогов, трофических язв, пульпитов, гипертонической болезни, остеоартрита, недержания мочи. Выявлен противораковый эффект рыбного коллагена. Организовано производство контактных линз из фибриллярного белка рыб.

Перспективным вспомогательным веществом в технологии мазей, суппозиториев, растворов для инъекций, глазных лекарственных пленок и других лекарственных форм является коллаген.

Введение в фармацевтическую технологию нового вспомогательного вещества требует, прежде всего, наличия его стандартной субстанции. С этой целью для получения лекарственных форм на основе коллагена разработаны и стандартизированы следующие субстанции:

- 2%-ный раствор коллагена

- масса коллагеновая

- коллаген сухой фармацевтический.

Раствор коллагена 2%-ный представляет собой продукты растворения в 0,2 – 0,5М уксусной кислоте щелочно-обработанной дермы крупного рогатого скота. Уксусная кислота обладает бактерицидными свойствами, и при концентрации более 0,25м растворы коллагена сохраняют свойства при комнатной температуре длительное время.

Масса коллагена – это механически диспергированная нейтральная щелочно-обработанная дерма с концентрацией белка – 6 – 10%. Сохраняют ее в замороженном состоянии; она легко растворяется в уксусной кислоте и обладает всеми свойствами раствора коллагена [30].

На основе коллагена были разработаны различные средства для быстрой остановки кровотечений (средства местного гемостаза), для лечения ран, ожогов, трофических язв, пролежней, а также лекарственные формы (мягкие и жидкие), специальные пластыри и губки (губка гемостатическая коллагеновая, губка коллагеновая с метилурацилом, губка коллагеновая с сангвиритрином и др.).

Повышенное содержание аминокислот в коллагене гарантирует быстрое восстановление тканей и их укрепление. Но есть некоторая особенность, белок коллаген плохо усваивается организмом человека, а особенно модифицированный белок.

Лишь с использованием метода расщепления молекулы коллагена, образуется «активный» гидролизованный коллаген, который максимально усваивается организмом. Благодаря данному методу появляется максимально сбалансированный комплекс аминокислот, которые участвуют в развитии и восстановлении тканей. Препараты на основе гидролизованного коллагена могут улучшить иммунную систему, вывести токсины, замедлить процессы старения, восстановить ткани при больших нагрузках и пр.

Все чаще гидролизованный коллаген входит в состав БАДов. Данные препараты предназначены для укрепления связок и суставов, для повышения эластичности кожи, а также для укрепления ногтей, волос. Гидролизованный коллаген показан при высоких нагрузках, в качестве дополнения к питанию при занятиях спортом, а также после травм. Такие препараты весьма часто назначают в послеоперационный период.

Коллаген широко используется в косметике в качестве увлажнителя, поскольку он обладает высокой способностью впитывать воду. В косметике используется три вида коллагена:

- растительный - из протеина пшеницы;

- животный - из кожи крупного рогатого скота;

- морской - из кожи рыб.

Коллаген животного происхождения считается наименее эффективным, поскольку он не обладает способностью проникать в клетки кожи. По этой причине косметика с коллагеном данного вида будет соответственно наименее эффективной.

Косметика, содержащая растительный коллаген, является очень эффективной, однако и достаточно дорогой, поскольку добывать коллаген данного вида намного сложнее, чем животного вида. Растительный коллаген прекрасно усваивается кожей.

Косметика, содержащая морской коллаген, также является эффективной, в виду того, что сам морской коллаген по своей структуре очень похож на наш собственный. Однако есть одно, но, косметика с данным видом коллагена способная вызвать аллергическую реакцию.

Коллаген и его гидролизаты часто входят в рецептуры разнообразных кремов и эликсиров как влагоудерживающие и питательные компоненты. Эффективность таких косметических средств объясняется тем, что гигроскопическая коллагеновая пленка действует наподобие влажного компресса. А значит, снижается трансэпидермальная потеря воды кожей [31].

Существуют коллагеновые маски. Это листы, пропитанные специальным раствором с коллагеном, которые накладывают на кожу в виде компресса и оставляют на непродолжительное время. Такая маска размягчает кожу и повышает ее проницаемость для активных веществ, которые входят в состав пропитывающего раствора. Кардинально и на длительное время улучшить состояние кожи можно с помощью коллагеновых инъекций в дерму. Метод называется мезотерапия. Такая процедура не влияет на выработку собственного коллагена, и ее можно назначать с 25 лет. У мезотерапии есть неоспоримые преимущества — быстрое появление результатов и продолжительный их эффект. Заполненные коллагеном морщинки исчезают на 3—6 месяцев [32].

Благодаря гигроскопическим свойствам коллагена повышается влажность рогового слоя кожи, что дает основания считать косметический крем или эликсир с коллагеном надежным защитным средством, а, следовательно, геронтопротектором. Действие активных компонентов косметических средств на основе коллагена:

- стимулируют коллагеновый синтез, делают кожу мягкой и эластичной;

- разглаживают морщины, выглаживают кожу;

- стимулируют активность кожи;

- стимулируют натуральную регенерацию кожи, регулируют процессы оживления ороговевшей кожи;

- увлажняют;

- разглаживают и осветляют кожу.

Инъекционные растворы коллагена стали первым биологическим препаратом для заполнения морщин. Они не устарели и не потеряли актуальности до сих пор, широко применяются, в том числе и в комбинации с другими методиками [30].

Коллагеновые губки

Коллагеновые губки используются в медицине в качестве местных

гемостатических средств и ранозаживляющих покрытий [33].

Губка - пористая структура, характеризуемая тем, что структура является сетчатой и имеет внутреннюю поверхность, которая значительно больше, чем ее наружная поверхность, тем, что она содержит полые пространства внутрисетчатой структуры, и тем, что она может поглощать жидкости, масса которых во много раз превышает ее собственную массу.

Известен способ получения пористого коллагенсодержащего материала. Сформированный при замораживании пористый коллагенсодержащий материал оттаивают, обрабатывают водным раствором щелочного агента при pH 10-12 и 0,1-1,0%-ным раствором формальдегида, промывают до нейтральной реакции среды, отжимают несвязанную влагу и окончательно высушивают при 20-60oC. При необходимости перед окончательным высушиванием материал проводят его пропитку раствором лекарственного и/или антисептического препарата, а также прессование при 40-100 кг/см2. Способ получения пористых коллагенсодержащих материалов дает возможность проводить высушивание конечного продукта при 20-60oC и при этом он не теряет пористый хорошо набухающей структуры, также снижен существенно расход органических растворителей и повышена пожаробезопасность способа. Кроме того, возможность пропитки материала лекарственными и/или антисептическими препаратами, а также проведения его прессования перед окончательным высушиванием дает возможность существенно расширить номенклатуру производимых пористых коллагенсодержащих материалов [34].

Губки используются для усиления остановки кровотечений в некоторых случаях хирургических вмешательств или других повреждений, таких как при операциях на крупных органах брюшной полости; при операциях на легких; в нейрохирургии для предотвращения вызванных сдавливанием повреждений мозговых или нервных тканей; в ортопедической хирургии, во время которых часто возникают обширные кровотечения; в сосудистой хирургии для остановки утечки крови из участков наложения швов; при операциях в ротовой полости или в стоматологической хирургии, такой как удаление зубов; и при носовом кровотечении [35].

Для усиления гемостатических свойств в их состав вводят известные гемостатические вещества: тромбин, тромбоциты, фибриноген, хлоридкальция и другие [36].

Учеными доказано, что коллагеновые губки могут вырабатывать трансформирующий ростовой фактор бета (TGF-β1), что является перспективным материалом для восстановления костей [37].

Стерилизация пористых коллагеновых губок остается сложной процедурой. Вакуумная сублимационная сушка устраненяет молекулы перекиси водорода, оставшихся после процесса стерилизации, вместе с их продуктами разложения [38].

Существенным недостатком этих губок является отсутствие антимикробного действия, что имеет важное значение, поскольку обычно раны и кровотечения протекают в условиях их возможного инфицирования. Антимикробную активность губке придает включение в ее состав антимикробных средств: хиноксидина или смеси борной кислоты, которая эффективна против синегнойной палочки, и нитрофуранов, например, фурацилина, обладающего широким спектром антимикробного действия.

Гемостатические губки получают, например, совмещением раствора коллагена с гидроксиаппатитом и последующей сублимационной сушкой композиции [30].

Существуют различные повязки, которые состоят из коллагеновой мембраны и коллагеновой губки. Перевязочный материал содержит гентамицин или амикацин в концентрации 0,3 мкг / см² (уровня загрузки лекарственного средства, используемого при подготовке повязки), либо антибиотик, его концентрация может быть изменена производителем [39].

Двухслойная повязка с ципрофлоксацином. Исследования показывают, что замедленное высвобождение ципрофлоксацина из двухслойной коллагеновой повязки уничтожает бактерии раны, и эта повязка может быть использована в качестве перевязочного материала в медицине [40].

Коллагеновые гели, золи и дисперсии.

Существует множество гелей на основе коллагена.

Гель на нейтральной коллагеновой основе, эффективен при лечении тяжелых лучевых поражений кожи, ожогов, ран, трофических язв различной этиологии, пролежней [41].

Известны мази, содержащие в своем составе производные коллагена и жирных кислот. Однако для получения приемлемой консистенции эти мази должны содержать загустители и другие вспомогательные вещества, что в общем снижает их терапевтическую эффективность и создает трудности при изготовлении [42].

Известна также мазь, содержащая анестизирующее вещество и в качестве гидрофильной основы порошкообразный коллаген, растворяющийся в воде при изготовлении мази. Порошок коллагена получают криодеструкцией при низкой температуре. Недостатком мази, кроме трудностей, связанных с получением порошка, является то, что порошок стареет при хранении и теряет свою растворимость, что влияет на качество мази. Область использования этой мази весьма узкая и ограничивается местной анестезией в стоматологии.

Существуют мази на нейтральной коллагеновой основе, содержащей в своем составе эмоксипин, пармидин, диметилсульфоксид - вещества, обладающие антиоксидантной, противовоспалительной и стимулирующей регенерацию активностью. Заявляемая композиция представляет собой мазь нетоксичную, высокоэффективную при лечении тяжелых лучевых поражений кожи, ожогов, ран, трофических язв различной этиологии, пролежней. Нейтральный коллаген не раздражает кожу раневую поверхность, гидрофилен и легко впитывается с последующей его резорбцией и воздействием на раневой процесс [41].

Отсутствие дермы при глубоких ожогах обусловило разработку методов ее восстановления. Одним из наиболее перспективных подходов, на наш взгляд, является использование фибробластов в коллагеновом геле или дермального эквивалента. Использование коллагенового геля в этом случае не только поддерживает клетки в жизнеспособном состоянии, но и создает возможность восстановления трехмерных мезенхимальных дефектов любой локализации и конфигурации. Коллагеновый гель с фибробластами представляет собой аналог дермы кожи и служит для создания более естественных условий для выращивания кератиноцитов, поддерживает их жизнеспособность при культивировании, хранении, транспортировке и после трансплантации на рану [43].

Существуют дендример (синтетические наноматериалы диаметром около 5-10 нанометров) / коллаген гибрид геля подавляет рост опухоли. Таким образом, дендример пролекарство встраиваемый в коллагеновый гель полезен для химиотерапии рака [44].

Коллагеновый гель, может использоваться в качестве белкового сырья и стабилизатора консистенции в технологии полукопченых колбас из мяса птицы [45].

Разработан новый способ получения механически прочных гелей коллагена путем объединения образование последовательно основной гель, а затем 1-этил-3- (3-диметиламинопропил) карбодиимид (EDC) сшивающего и лиофилизации.Эти многообещающие результаты свидетельствуют о возможности применения гелей как лесов в тканевой инженерии исследований [46].

Пример 1: Изготовление коллагенового геля

Эквивалент, соответствующий 1 г сухого коллагена (из жидкого, пастообразного, волокнистого или порошкообразного коллагенового материала) растворяли в 100 мл 0,01 М лимонной кислоты. Смесь встряхивали до получения однородного и жидкого геля. Доводили рН до 7,2 добавлением раствора NaOH при постоянном перемешивании при 4oС. Этот гель содержал 1% коллагена. Таким же образом получали 0,25% коллагеновый гель.

Пример 2: Получение и лиофилизация коллагенового геля, содержащего тромбин

60 мл 1% коллагенового геля, полученного в соответствии с примером 1, смешивали с 5 мл 1000 1U/мл раствора тромбина (ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ТРОМБИН, IMMUNO AG) при 4oС. Гомогенную смесь выливали в 10 10 см лоток, предварительно охлажденный до 4oС. Лоток затем переносили в морозильную камеру сушильного холодильника, предварительно охлажденную до 4oС. Затем начинают цикл заморозки до -20oС, и продукт сушат замораживанием до достижения 15% содержания воды.

Продукт представлял собой пластичное хлопкоподобное ворсистое полотно, которое разрезают до желаемого размера. Это ворсистое полотно имело следующие характеристики.

Продукт I:

Коллаген: - 8,55 мг/см2

Тромбин: - 50 1U/см2

Размер - 10 10

Толщина - 0,6 см. [47].

***

Коллаген – своеобразный белок, имеющий 28 типов. Существуют следующие производные коллагена: тропоколлаген, гидролизаты, желатин.

Наибольшее практическое применение коллагена находят в:

• медицине;

• технологических целях;

• пищевой промышленности.

Самое распространенное применение в медицинских целях (средства для быстрой остановки кровотечений (средства местного гемостаза), для лечения ран, ожогов, трофических язв, пролежней, а также лекарственные формы (мягкие и жидкие), специальные пластыри и губки (губка гемостатическая коллагеновая, губка коллагеновая с метилурацилом, губка коллагеновая с сангвиритрином и др.), в косметологии.