Команда химиков из Санкт-Петербургского государственного университета совместно с исследователями Тегеранского университета представила удобную и безопасную систему доставки биологически активных молекул. Созданные учеными съедобные гранулы повышают устойчивость и усвоение антиоксидантов — соединений, которые помогают организму справляться с окислительным стрессом, поддерживая здоровье клеток и замедляя возрастные изменения. Подход нацелен на мягкую и контролируемую доставку полезных компонентов в нужное место кишечника.
Многие природные экстракты и фармакологически значимые вещества нестабильны в кислой среде желудка, теряют активность при контакте с ферментами или разрушаются из-за высокой ионной силы. Предложенная технология решает эти проблемы за счет комбинации мягкого полимерного каркаса и неорганических наночастиц. Такая конструкция защищает чувствительные молекулы в желудке и обеспечивает постепенное высвобождение в более благоприятных условиях кишечника, что теоретически способствует росту биодоступности и уменьшению частоты приема.
Идея проста и изящна: «поймать» полезные вещества в микрогранулы, которые можно проглотить вместе с пищей или как часть нутрицевтика, а затем предоставить организму время и условия для их мягкого и эффективного высвобождения. Благодаря биосовместимым материалам и продуманной архитектуре гранул подход выглядит перспективно для профилактических и терапевтических программ, ориентированных на долгосрочную поддержку организма.
Альгинат натрия, гидроксиапатит и бемит: дружелюбные материалы
В качестве матрицы выбран альгинат натрия — природный полисахарид, широко применяемый в пищевой промышленности и фармацевтике. Он образует прочный и одновременно «дышащий» гель в присутствии ионов кальция, а его структура поддается тонкой настройке. Внутрь полимерной сети введены наночастицы из биосовместимых неорганических соединений: гидроксиапатита и бемита. Эти частицы играют роль активных «узлов», способных взаимодействовать с полимерными цепями и молекулами полезных веществ.
Выбор именно гидроксиапатита и бемита не случаен. На их поверхности присутствуют участки с кальцием и алюминием, которые формируют дополнительные координационные связи и водородные взаимодействия с карбоксильными группами альгината и функциональными группами целевых молекул. Такая «многоточечная» сцепка упорядочивает внутреннее строение гранулы, укрепляет гель и повышает его устойчивость к агрессивной среде. В результате удается балансировать механическую прочность капсулы и ее способность «раскрываться» там, где это особенно важно — в тонком кишечнике.
Комбинация органического полимера и неорганических наночастиц образует гибридный материал, который работает как интеллектуальная защита. Он не только экранирует антиоксиданты от преждевременного распада, но и задает скорость их перехода из твердой фазы в раствор — параметр, отвечающий за форму кривой концентрации в крови и комфорт пациента.
Как гранулы защищают антиоксиданты и где они раскрываются
Разработчики детально исследовали, как гранулы ведут себя в средах, имитирующих условия желудка и кишечника. В кислой фазе структура сохраняет плотность, не позволяя активным компонентам быстро покинуть матрицу. При смене pH и ионного окружения в кишечнике гель начинает набухать, поры расширяются, и полезные молекулы постепенно высвобождаются. Переход не является скачкообразным: профиль высвобождения плавный, что особенно ценно для веществ, требующих стабильного поступления.
Благодаря такому механизму появляется возможность снизить требуемую частоту приема продуктов с антиоксидантами и уменьшить пики концентраций, которые иногда сопровождаются нежелательными ощущениями. Вместо этого организм получает «длинную волну» — более ровное поступление активного компонента. С точки зрения прикладной нутрициологии это открывает путь к созданию функциональных продуктов с предсказуемым эффектом.
Еще одно важное преимущество — возможность адаптации композиции под разные классы молекул. Полезные компоненты отличаются по размеру, полярности и чувствительности к среде. Настраивая состав и архитектуру гибридного геля, можно подобрать режим, при котором конкретное соединение будет надежно защищено и высвободится в оптимальный момент.
Экстракт бораго как модельный антиоксидант
Чтобы продемонстрировать потенциал технологии, в качестве модельного действующего вещества исследователи выбрали экстракт бораго (огуречной травы). Эта неприхотливая однолетняя культура издавна используется в традиционных рецептах, а ее листья известны мягкими противовоспалительными свойствами и деликатным успокаивающим действием на слизистые. Экстракт богат соединениями, проявляющими антиоксидантную активность, что делает его удобным кандидатом для тестирования систем контролируемого высвобождения.
В гидрогелевой матрице из альгината натрия экстракт бораго надежно удерживается до момента, когда гранула оказывается в щелочной среде кишечника. Там материал начинает активно набухать, увеличивая проницаемость и открывая пути для диффузии. Таким образом, ценные компоненты экстракта покидают гранулу постепенно, что в перспективе способствует лучшему усвоению.
Подход универсален: вместо экстракта бораго можно использовать и другие антиоксиданты растительного происхождения — например, полифенолы, флавоноиды или каротиноиды. Матрица допускает вариативность: корректируя долю неорганических наночастиц, степень сшивки полимера и условия гелеобразования, разработчики настраивают гранулы под химическую природу конкретного экстракта.
Настройка формы и размеров наночастиц — настройка профиля высвобождения
Ключ к управляемому поведению гранул — геометрия и размерный ряд внедренных частиц гидроксиапатита и бемита. Исследователи получили набор морфологий — стержни, пластинки, веретенообразные частицы — и показали, что каждая форма по-своему влияет на плотность и упорядоченность полимерной сети. Более вытянутые частицы могут образовывать внутри геля армирующий каркас, а пластинчатые варианты — действовать как барьер, затрудняющий диффузию.
Отношение размеров частиц к толщине полимерных доменов, распределение активных центров на поверхности, а также соотношение гидроксиапатита и бемита — все это тонкие «ручки управления» набуханием и кинетикой высвобождения. Используя физико-химические и вычислительные подходы, команда выстроила связи между параметрами синтеза и конечными характеристиками гранул, что упрощает масштабируемое проектирование материалов с заданными свойствами.
Итоговый конструктор выглядит гибко: изменяя форму и размер наночастиц, их содержание и комбинацию, можно ускорять или замедлять высвобождение, повышать устойчивость к кислой среде или, напротив, делать гранулу более чувствительной к изменению pH. Такая технологическая «палитра» открывает простор для персонализированной доставки — от витаминов и нутрицевтиков до чувствительных компонентов будущих лекарственных форм.
Инфраструктура, опыт и междисциплинарный подход
Работа объединила инструменты неорганической химии, материаловедения, аналитики и математического моделирования. Экспериментальная часть выполнена на базе Научного парка СПбГУ: в ресурсных центрах «Инновационные технологии композитных наноматериалов», «Рентгенодифракционные методы исследования», «Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники», а также в междисциплинарном центре по направлению «Нанотехнологии» и центре «Методы анализа состава вещества».
Применение высокоточного оборудования позволило проследить, как возникают и эволюционируют частички гидроксиапатита и бемита, как они встраиваются в полимерный каркас и какие микроструктурные изменения определяют макроскопическое поведение гранул. Такая связка «от атомного уровня к практическому эффекту» — важная черта проекта, обеспечившая четкую логику от идеи к работающему прототипу.
Полученные закономерности не ограничиваются одним классом экстрактов. Подход пригоден для капсулирования широкого спектра молекул — от гидрофильных до амфифильных и слабо растворимых. Это делает технологию полезной как для академических задач, так и для промышленного внедрения в сегментах здоровья и благополучия.
Потенциал применения и следующие шаги
Съедобные гранулы на основе альгината натрия с наночастицами гидроксиапатита и бемита могут лечь в основу целого семейства продуктов: функциональных напитков и батончиков, капсул с пролонгированным действием, «умных» пищевых добавок и профилактических комплексов. Привлекателен и медицинский трек: мягкие формы адресной доставки востребованы в гастроэнтерологии, геронтологии, нутритивной поддержке, спортивной медицине.
Важным направлением развития станет настройка профилей высвобождения под суточные ритмы и индивидуальные особенности метаболизма, а также переход к мультикомпонентным формулам, где несколько активных веществ высвобождаются последовательно или в заданных соотношениях. Современные методы контроля качества и трассировки позволят стабильно выдерживать параметры партии к партии, что критично для рынка.
Команда подчеркивает, что гибкость системы открывает дорогу крупносерийному производству. Технологии синтеза альгинатных гелей масштабируются, а сырье доступно. Сочетание простоты производства, биосовместимости и возможности тонкой настройки превращает гибридные гранулы в удобную платформу для переносчика будущих нутрицевтиков и фармкомпонентов, ориентированных на продление активного долголетия.
Суммируя, исследование показало: правильный выбор полимера и неорганических наночастиц, управление их размерами и формой, а также точное понимание взаимодействий на границе фаз позволяют создавать съедобные гранулы с предсказуемым поведением. Такой подход повышает устойчивость антиоксидантов, делает их доставку комфортной и открывает оптимистичные перспективы для разработки продуктов, поддерживающих здоровье на ежедневной основе.
