Галохромное медицинское покрытие с включением природных антоцианов



Благодаря уникальным характеристикам волокон, содержащих различные супрамолекулярные структуры, текстильные материалы находят применение в качестве матриц для изготовления биосенсоров.Натуральные экстракты, содержащие антоцианы, могут быть включены в текстильные материалы с помощью различных технологий:золь-гель-слоя, содержащего натуральный краситель,методом адсорбции и химического сшивания, а также во время формирования волокон в процессе электроспиннинга.

Ключевые слова: галохромный текстиль; медицинское покрытие; антоцианы; электроспиннинг.

Due to the unique characteristics of fibers containing various supramolecular structures, textile materials are used as matrices for the manufacture of biosensors. Natural extracts containing anthocyanins can be incorporated into textile materials using various technologies: a sol-gel layer containing a natural dye, by adsorption and chemical crosslinking, as well as during the formation of fibers during electrospinning.

Keywords: halochromic textiles; medical coating; anthocyanins; electrospinning.

Разработка ультратонких волокон из биоразлагаемых и биосовместимых природных и синтетических полимеров методом электроспиннинга представляет большой интерес для биомедицины, фармацевтики и пищевой промышленности. Благодаря уникальным характеристикам волокон, например, высокому соотношению площади поверхности к объему, эти волокна являются отличными кандидатами для различных применений, включая фильтрацию, каркасы в тканевой инженерии, доставку лекарств, иммобилизацию ферментов и в качестве матриц для изготовления биосенсоров [1].

Цвет является мощным средством коммуникации и может использоваться для сигнализации разных процессов. В последнее десятилетие большое внимание уделяется колориметрическим маркерам, которые внедряют в текстильные материалы, способствующие изменению своего цвета из-за перемены температуры (термохромизм), света (фотохромизм) и рН (галохромизм).

Они могут предоставлять полезную информацию с видимыми изменениями цвета в качестве сигнала в различных современных приложениях от биомедицинского до систем обеспечения безопасности.

В последние годы увеличилось число публикаций по иммобилизации галохромных красителей с использованием метода электроспиннинга. В качестве супрамолекулярных матриц в этих работах использовались полиамид, полиакрилонитрил, поликапролактон, полиуретан, хитозан, ацетат целлюлозы, альгинат натрия и др.

Ткани из нановолокон, полученных методом электропрядения, и дополнительно функционализированных за счет включения рН-чувствительных соединений нашли применение в медицине для мониторинга рН биологических жидкостей (пота, мочи, слизи, слюны, экссудата) [2, 3].

Антоцианы являются вторичными метаболитами растений, принадлежащими к классу полифенолов, составляют самую большую и, вероятно, самую важную группу водорастворимых природных пигментов. На сегодняшний день в природе идентифицировано более 635 антоцианов, которые отвечают за яркий синий, фиолетовый и красный многих фруктов, овощей и цветов.

Разница в химической структуре, возникающая в ответ на изменение рН, является причиной того, что антоцианы часто используются в качестве индикатора рН, поскольку они изменяются от красного в кислых средах до синего в щелочных условиях. Это уникальное свойство данных пигментов используется в качестве натуральный индикаторов.

Несмотря на огромное разнообразие антоциановых соединений, все они представляют собой производные шести основных антоцианидинов: пеларгонидина, цианидина, пеонидина, дельфинидина, петунидина и мальвидина, которые отличаются боковыми радикалами R ₁ и R ₂ (рис. 1).

Рис. 1. Структура антоцианов R3 — сахарид и антоцианидинов R3 — H [4]

Химическая структура антоцианов в значительной степени определяет их способность и эффективность в качестве антиоксиданта. Антоцианы являются гликозидами (водорастворимыми молекулами) агликонов, называемых антоцианидинами, и эффективными донорами водорода. Антоциановые пигменты нестабильны при высоких значениях рН и могут представлять уникальные цвета при различных значениях рН, такие как красный (рН 1), фиолетовый (рН 7), синий (рН 10), зеленый (рН 11) и желтый (рН 13). Однако желтый цвет указывает на образование хальконов, которые являются продуктом распада антоцианов.

Рис. 2. Структурные превращения антоцианов в водной среде с различными рН [5]

Помимо использования антоцианидинов и антоцианов в качестве натуральных красителей, эти цветные пигменты являются потенциальными фармацевтическими ингредиентами. Научные исследования, такие как исследования культуры клеток, модели на животных и клинические испытания на людях, показывают, что антоцианидины и антоцианы обладают антиоксидантной, противомикробной активностью, противовоспалительными и нейропротекторными эффектами [6].

Большое количество исследований посвящено разработке галохромных текстильных материалов из-за их широкой применимости в качестве сенсорных систем. Индикаторы могут быть успешно внедрены в текстильные материалы, что приводит к созданию гибких датчиков. Синтетические индикаторы, не могут быть использованы в медицинских целях, из-за их токсического действия на организм человека. Антоцианы же являются эффективной альтернативой синтетическим пигментам. Натуральные экстракты, содержащие антоцианы могут быть включены в текстильные материалы с помощью различных технологий.

Успешным оказалось нанесение на ткани золь-гель-слоя, содержащего натуральный краситель [7]. В исследовании [8] описана разработка датчика рН на основе нановолокна целлюлозы, функционализированного пигментом из краснокочанной капусты и нанесенного на нетканые целлюлозные волокна с помощью методов адсорбции и химического сшивания. Результаты показали, что разработанный биокомпозит способен обнаруживать значения рН в диапазоне 1–14 путем указания уникального цветового кода для каждого значения рН.

Рис. 3. Изменение цвета растворов и нановолокон, содержащих антоцианы, в зависимости от рН [8]

Также было обнаружено, что измерение рН было стабильным при различных температурах и в течение длительного времени. Кроме того, цвета были обратимыми, а датчик рН можно было перерабатывать. Настоящее исследование открывает новые возможности для использования разработанного универсального датчика рН в качестве монитора состояния здоровья.

Высокоэффективным способом оказалась окраска нановлокон путем непосредственного добавления антоцианов во время формирования волокон при электроспиннинге [1]. Реакция антоциановых «датчиков» на изменения рН среды была быстрой благодаря высокой пористости нановолокнистых нетканых материалов. Однако, поведение красителей в текстильной матрице изменялось по сравнению с их поведением в растворе, что, скорее всего, связано с взаимодействием красителя с волокном в процессе электропрядения.

В целом можно сделать вывод, что различные методы окрашивания оказались эффективными для разработки инновационных текстильных галохромных материалов с использованием натуральных антоцианов [7, 8, 1], которые можно использовать в качестве сенсорных датчиков в медицинской практике.

Литература:

1. Pakolpakçıl A. A Facile Design of Colourimetric Polyurethane Nanofibrous Sensor Containing Natural Indicator Dye for Detecting Ammonia Vapour / A. Pakolpakçıl, Z. Draczynski // Materials. — 2021. –№ 14 (6949). — Р. 1–13.
2. Труфанова Е. А. Простой индикаторный метод определения рH как способ оценки состояния хронической экссудирующей раны / Е. А. Труфанова // Молодой ученый. — 2019. — № 36. — С. 30–33.
3. Maftoonazad N. Design and testing of an electrospun nanofiber mat as a pH biosensor and monitor the pH associated quality in fresh date fruit (Rutab) / N. Maftoonazad, H. Ramaswamy // Polymer Testing. — 2019. — № 75. — Р. 76–84.
4. Tena N. State of the Art of Anthocyanins: Antioxidant Activity, Sources, Bioavailability, and Therapeutic Effect in Human Health / N. Tena, J. Martín, A. G Asuero // Antioxidants. — 2020. — Vol. 9 — P 1–28.
5. Roy S. Anthocyanin food colorant and its application in pH-responsive color change indicator films / S. Roy, J. W. Rhim // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. — 2020. — P. 1–29.
6. Anthocyanidins and anthocyanins: colored pigments as food, pharmaceutical ingredients, and the potential health benefits / H. E. Khoo [et al] // Food & Nutrition Research. — 2017. — Vol. 61. — Р. 1–24.
7. Schueren L. V. Halochromic textile materials as innovative pH-sensors / L. V. Schueren, K. Clerck // Advances in Science and Technology. — 2013. — Vol. 80 (2013). — Р. 47–52.
8. Devarayanb K. Reversible and universal pH sensing cellulose nanofibers for healthmonitor / K. Devarayanb, B.-S. Kim // Sensors and Actuators B. — 2015. — № 209. — Р. 281–286