Современная медицина все чаще требует не просто создания новых лекарств, но и максимально точной доставки активных веществ в организм. Исследователи из Сургутского государственного университета и Томского политехнического университета разрабатывают метод создания микрокапсул с биологически активными веществами. Такие капсулы могут стать основой новых форм лекарств и биодобавок, позволяющих дозировать вещества с чрезвычайно высокой точностью. Результаты исследования представлены в журнале Physics of Fluids.
В экспериментах используется экстракт тимьяна, который содержит комплекс биологически активных веществ (БАВ). Среди них терпеновые компоненты (например, тимол и карвакрол) и фенольная фракция (включая розмариновую кислоту), которые связывают с антимикробными, антиоксидантными и противовоспалительными свойствами тимьяна.
В СурГУ также реализуется проект «ЮграБиоФарм», направленный на разработку технологий выращивания северных ягодных культур и лекарственных трав и извлечения из них биологически активных соединений. В рамках этих исследований важно не только получить экстракт, но и научиться точно дозировать его биологически активные компоненты и управлять их высвобождением с помощью однородных микрокапсул. Экстракты получают ученые-химики, после чего используют их в процессе инкапсулирования в микрокапсулы при помощи микрофлюидной установки. Экстракт тимьяна в данном случае служит модельным комплектом БАВ, на котором отрабатываются методы инкапсуляции и дозирования.
Ключевым инструментом ученых является микрофлюидный чип – миниатюрная система каналов толщиной меньше миллиметра. Размер таких капсул может быть всего несколько десятков микрометров – меньше толщины человеческого волоса. Через входы в этот чип одновременно подаются несколько жидкостей: экстракт тимьяна смешивается с желатином и подается в микрофлюидный чип одновременно с раствором альгината натрия. Внутри микроканалов жидкости движутся параллельными потоками, не смешиваясь полностью. Затем подаваемое перпендикулярно масло разделяет общий поток на мельчайшие капли. Каждая такая капля становится микрокапсулой, внутри которой находится активное вещество.
Исследователи изучили, какие параметры влияют на размер образующихся капель: скорость потоков, вязкость жидкостей, геометрия каналов. На основе экспериментов они разработали математическую модель, позволяющую точно прогнозировать размер микрокапсулы, а не подбирать его методом проб и ошибок.
«За счет математического моделирования мы можем определить, какое количество биологически активного вещества попадает в одну микрокапсулу. В итоге получается, что конкретному размеру капсулы соответствует определенная нанодоза вещества. Нанодозирование – это очень сложная задача, потому что иногда для профилактики заболеваний требуется совсем небольшое количество активного вещества. Возможность точно регулировать такую дозу может быть очень полезна для медицины», – пояснил Максим Пискунов, руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник Научно-образовательного центра Института естественных и технических наук СурГУ.
Используя законы сохранения массы и энергии, ученые также смогли рассчитать, сколько активного вещества содержится в одной капсуле определенного микрометрового размера. Это открывает возможность так называемого нанодозирования – чрезвычайно точного контроля количества вещества – такая точность особенно важна в случаях, когда терапевтический эффект достигается малыми дозами, а превышение может привести к побочным эффектам.
Не менее важный этап – изучение того, как микрокапсула ведет себя в организме. Ученые исследуют толщину и свойства оболочки капсул, поскольку именно от нее зависит скорость высвобождения активного вещества. В лабораторных условиях создаются среды, имитирующие жидкости человеческого организма. В них изучается, как быстро капсула начинает разрушаться и высвобождать содержимое.
«Очень важно понимать, как именно происходит высвобождение биологически активного вещества из капсулы. Есть препараты с пролонгированным действием, когда вещество высвобождается не сразу, а постепенно. Это означает, что капсула может дойти до определенного участка организма, прежде чем начнет отдавать лекарство. Изменяя свойства оболочки, можно влиять на этот процесс и управлять скоростью высвобождения вещества», – поделился Максим Владимирович.
Экспериментальная часть проводится в Сургуте, в Институте естественных и технических наук СурГУ, где расположено лабораторное оборудование, а обработка данных и моделирование выполняются в Томске. Такое междисциплинарное сотрудничество позволяет соединить фундаментальные исследования физики жидкостей с практическими задачами химии.
Пока технология находится на стадии лабораторных исследований. Однако принцип ее масштабирования достаточно прост: вместо одного микрофлюидного чипа можно использовать десятки или сотни одинаковых чипов, работающих параллельно. Такая система способна производить микрокапсулы уже в малотоннажном производстве перспективе аналогичные технологии могут использоваться для лекарственных препаратов, витаминов и биодобавок, функциональных продуктов питания.
Автор: Вероника Петровская
Фото: Медиацентр СурГУ
Источник: news-surgut.ru