Прогнозирование биосовместимости полиолефинкетонов на основании энергетических характеристик их поверхностей

УДК 541.183:532.64

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ БИОСОВМЕСТИМОСТИ ПОЛИОЛЕФИНКЕТОНОВ НА ОСНОВАНИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Ю.Г. Богданова, В.Д. Должикова, Г.П. Белов*, О.Н. Голодков*, А.Е. Чалых**

На основании измерений краевых углов смачивания определены энергетические характеристики поверхностей новых полимеров класса полиолефинкетонов: двойного сополимера (пропилен-СО, РСО) и тройного сополимера (пропилен-СО-этилен-СО, РЕСО) на границах полимер -воздух и полимер -вода. Показано, что введение в РСО этилен-СО сомономера приводит к увеличению его поверхностной энергии. Сопоставление межфазной энергии сополимеров на границе с водой с критериальным значением для кровесовместимых материалов показало, что РЕСО может быть рекомендован для дальнейших медико-биологических исследований в качестве кровесовместимого материала.

Известно, что материалы биомедицинского назначения должны быть биологически инертными, нетоксичными, обладать стабильными в условиях эксплуатации механическими и адгезионными характеристиками. Все эти факторы традиционно объединяют в понятие о биосовместимости полимерного материала, т.е. возможности его существования в живом организме или его контакта с живыми системами без отрицательных последствий [1-4].

В данной работе биосовместимость рассмотрена в аспекте кровесовместимости материала, что подразумевает низкую адгезию белков крови к поверхности при длительном контакте с кровью. Этот фактор чрезвычайно важен при выборе материала для изготовления имплантантов, поскольку, например, адсорбция фибриногена на их поверхности способствует тромбообра-зованию [5]. Прежде чем использовать медико-биологические методики для обстоятельного изучения биосовместимости материала, можно оценить потенциальную возможность его применения в медицине на основании простых экспрессных физико-химических тестов, в качестве которых, например, могут быть измерения краевых углов смачивания [3, 6, 7].

В работах, связанных с разработкой критериев кровесовместимости, показано, что поведение материала в биологической среде определяет межфазная энергия полимера на границе с водой [3]. Согласно концепции Е. Рукенштейна, для кровесовместимых

материалов межфазная энергия на границе полимер/ вода должна быть близка к межфазной

энергии клетка/плазма крови: для кровесовместимых материалов критериальное значение = 1-3

мДж/м2 [3]. Однако для полимерных материалов, используемых в медицинской практике, а.

S(W)/W

имеет

более широкий коридор значений. Например, для силиконового эластомера а8(№)/№ = 5,8 мДж/м2 [6]. В то же время а8(№)/№ < 1мДж/м2 не исключает возможности использования полимера в качестве крове-совместимого материала при условии, что не происходит заметного понижения его прочности при контакте с биологической средой [7].

Межфазная энергия полимера на границе с водой может быть рассчитана на основании измерений краевых углов в условиях натекания, оттекания и избирательного смачивания с использованием уравнений молекулярной теории смачивания [8]. Таким образом, метод смачивания открывает возможность прогнозирования кровесовместимости полимерных материалов. К числу биосовместимых полимеров относятся дифиль-ные блок-сополимеры полипропиленоксида, полиэти-леноксида, поливинилпирролидона, полигидроксибутира-та, поликапролактона, полиуретаны и т.д. [9-13].

Перспективными биосовместимыми материалами могут быть полиолефинкетоны - класс новых строго чередующихся сополимеров монооксида углерода (СО) с олефинами [14]. Исследование поверхностных

* Институт проблем химической физики РАН, отдел полимеров и композиционных материалов, лаборатория поликетонов, 142432, Московская обл., г. Черноголовка, проспект Академика Семенова, д. 1.

** Институт физической химии и электрохимии РАН, лаборатория структурно-морфологических исследований, 119991, Москва, Ленинский пр-т, д.31, кор.4.

H2 CH С

CH

O

С^ O

CH

H2

n PCO

H2

Nr

II

CH3 O

H2

.с.

CH

y

x

PECO

Рис. 1. Структурные формулы мономерных звеньев сополимеров пропилен-СО

Рис. 2. Схема измерений краевых углов натекания (а), оттекания (б) и избирательного смачивания (б). Краевые углы обозначены в соответствии с методикой [3]

свойств полиолефинкетонов и определение их энергетических характеристик на различных межфазных границах чрезвычайно важно для оптимизации условий создания новых полимерных материалов для медицины и биотехнологии.

Вопрос о потенциальной кровесовместимости полиолефинкетонов до сих пор остается открытым. Цель данной работы - определить межфазную энергию в системе полиолефинкетон-вода и оценить воз-

можность использования полиолефинкетонов в качестве кровесовместимых материалов.

В работе исследованы два новых сополимера (рис. 1) - двойной сополимер пропилен-СО (РСО) и тройной сополимер - пропилен-СО-этилен-СО (РЕСО) [14]. Средневесовая молекулярная масса М№ = 4,8х104 для РСО и М = 25,5х104 для РЕСО.

Пленки полимеров наносили на поверхность алюминиевых пластинок размером 1х1,5 см из 3%-х растворов РСО в хлористом метилене и РЕСО в хлороформе. После нанесения пленки высушивали в течение 24 ч при комнатной температуре.

Измерения краевых углов проводили на горизонтальном микроскопе марки "МГ" с гониометрической приставкой в условиях натекания (иа) при нанесении капель объемом 0,01-0,02 мл на твердую поверхность (рис. 2, а), оттекания (и,.) при подведении пузырька воздуха к поверхности образца, погруженного в жидкость (рис. 2, б) и избирательного смачивания (и№0) при подведении капли октана к поверхности

образца, погруженного в воду (рис. 2, в). Значения краевых углов определяли через 3 мин после контакта капель с поверхностью (закрепления пузыфька на поверхности). Точность измерения углов ±1°. Для каждого образца измеряли краевые углы 6-9 капель. Среднеквадратичное отклонение при измерениях кра-евыгс углов составляло от ±1 до ±2°. Все измерения проводили при 20°С.

Для определения удельной свободной поверхностной энергии полимерных пленок использовали тестовые жидкости с известным значением поверхностного натяжения (табл. 1) [6, 15]. Поверхностную энергию полимеров (os) и ее полярную (о^) и дисперсионную (ods) составляющие рассчитывали на основании измерений краевых углов воды и этиленгликоля путем решения системы двух уравнений [16]:

4 ЬГ L1 4 L1 S У 4 L1 sy

4 ЬГ L2 4 L2 S У 4 L2 Sy

где 6L1 и 6L2 - краевые углы натекания тестовых жидкостей, О

L1-

аР ad

L2' L1

0^2 - полярная и дисперсионная составляющие поверхностного натяжения тестовых жидкостей; 03 = 0Р3 + 0^3. Поверхностное натяжение воды и этиленгликоля определяли методом Вильгельми (А0Ь = ± 0,5мДж/м2). Полярную и дисперсионную компоненты 0Ь определяли по краевым углам натекания жидкостей на тефлоне-4 (0 5 = 18 мДж/м2) по уравнению Джирифалко-Гуда-Фоукса-

3

Т а б л и ц а 1

Поверхностное натяжение (аь), дисперсионная (аьй) и полярная (а,р) составляющие для тестовых жидкостей

Т а б л и ц а 3

Жидкость ^ 2 мДж/м ~ а мДж/м2 оь, мДж/м2

Вода 50,8 21,8 72,6

Этиленгликоль (ЭГ) 19,0 29,3 48,3

Октан (О) [6] 0 21,8 21,8

:^-а^)1/2,

Полимер РСО РЕСО

град. 81 62

9эг, град 63 50

6гл, град 77 64

о^, мДж/м2 11,5 30,4

аа& мДж/м2 15,7 8,4

мДж/м2 27,2 38,8

Энергетические характеристики полимеров, уравновешенных водой, на границе с водой

Юнга [17]. Погрешность при определении а8 составила Ла8 = ±(0,5 - 0,7) мДж/м2.

Межфазную энергию на границе полимер-вода а8№ рассчитывали по уравнению:

= а3 + - 2

где а№ а^ и аpW - поверхностное натяжение воды и его дисперсионная и полярная составляющие соответственно [8]. Расчет проводили, используя значения аW, а^ и ар^ (табл. 1) и величины а8, аdS и ар5 (табл. 2), рассчитанные по (1) и (2) на основании экспериментальных значений краевых углов тестовых жидкостей.

Межфазную энергию полимеров, уравновешенных с водой, на границе с водой а^^ определяли по методике Рукенштейна [3], которая заключается в следующем. Полимерные пленки выдерживали в течение 1 суток в воде, затем измеряли краевые углы капель октана

Т а б л и ц а 2

Краевые углы натекания тестовых жидкостей (0№, 0ЭГ, 0гл) на поверхности полимеров и удельная свободная поверхностная энергия полимеров

Полимер РСО РЕСО

9у, град. 43 43

6о, град. 89 63

мДж/м2 22,8 26,8

С^да, мДж/м2 43,8 31,8

Ск^^^, мДж/м2 по методике [3] 8,9 3,6

Сад™, мДж/м2 расчет по (3) 14,5 3,9

рассчитывали равновесные значения полярной ар5(^) и дисперсионной а ) составляющих свободной поверхностной энергии полимеров, уравновешенных с

водой. Расчет а

проводили по уравнению:

г/_Р \ 1/2 , р ч1/2,2 . , , а Л/2

= К0^ - Ю } + {(а ^ -

, а Л/2,2 -

Для расчета aРS(W), а S(W) использовали следующие уравнения:

= (-aowcos 0о+ ^ - ао) /4аРw,

где а - межфазное натяжение на границе октан-вода, aw и ао - поверхностное натяжение воды и октана соответственно и

aаs(W) = (аowc0s 0о - аw С05 0У + ао)2/4ао.

OW о ^ V "о' о'

Данные табл. 2 показывают, что поверхности обоих полимеров смачиваются водой (0 < 90°), при этом поверхность РЕСО более гидрофильна, что обусловлено наличием в структуре полимерной цепи этого сополимера фрагментов, содержащих блоки (этилен-СО-)и.

Сопоставление значений межфазной энергии aS(W)W РЕСО на границе с водой, определенное по методике Рукенштейна (табл. 3), совпадает с рассчитанным а^ по уравнению (3) в пределах погрешности определения этих величин. Для РСО а^, рассчитанное по уравнению (3), выше, чем значение а^^, полученное по методике Рукенштейна. Это можно объяснить тем, что в результате уравновешивания полимера с водой происходит переориентация поверхностных карбонильных групп, которая для РСО затруднена в связи с синхронной переориентацией метильных и карбонильных групп полимера (рис. 3).

H2

CH C

I и

CH3 O

CH3 O H2

H2 C

CH C CH C

H2C O 2H

/H.. H2C 'O

2C O

CH C> C H2

Рис. 3. Перестройка поверхностного слоя РСО при уравновешивании

водой

п

п

Расчеты по уравнениям (3) и (4) показывают, что PECO может быть рекомендован для дальнейших медико-биологических исследований в качестве кро-весовместимого материала: значение oSwW для этого полимера близко к критериальному.

Таким образом, энергетические характеристики поверхностей полиолефинкетонов, определенные в

совместимым материалом является полимер, содержащий значительное количество гидрофильных групп в цепи. Введение в цепь сополимера PCO фрагментов этилен-CO позволяет регулировать не только механические свойства полиолефинкетонов [18], но и открывает путь к направленному синтезу кровесовместимых полимерных материалов на их основе.

работе, указывают на то, что потенциально крове-

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 07-03-00363а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Платэ Н.А., Васильев А.Е. Физиологически активные полимеры. М., 1986.

2. Shtilman M.I. / Polymers for medico-biological use. VSP: Utresht-Tokyo. 2000. Part I. P. 247.

3. Ruckenstein E., Gourisankar S.V. // Biomaterials. 1986. 7. P. 403.

4. Измайлова В.Н., Ямпольская Г.П., Сумм Б.Д. Поверхностные явления в белковых системах. М., 1988.

5. Fukumura H., Hayash K., Yoshikawa S., Miya M., Yamamo-to N., YamashitaI. // Biomaterials. 1987. 8. Р.74.

6. Ruckenstein E., Lee S.H. // J. of Colloid and Int. Sci. 1987. 120. P. 153.

7. Ямпольская Г.П., Должикова В.Д. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2007. 48. № 1. С. 33.

8. АдамсонА. Физическая химия поверхностей. М., 1979.

9. Mequanint K., Patel A., Bezuidenhout D. // Biomacro-molecules. 2006.7. P. 883.

10. Hsu S.H., Tang CM., Lin C.C. // Biomaterials. 2004. 25. P. 5593.

11. Xu Z.K., Nie F.Q., Qu C., Wan L.S., Wu L., Yao K. // Biomaterials. 2005. 26. P. 589.

12. LiX., Loh J., Wang K., He C., Li J. // Biomacromolecules. 2005. 6. P. 2740.

13. Kacker S., Kim S.J., Sen A. // Adgew. Cem. Ed. 1998. 37. P. 1251.

14. Белое Г.П., Новикова E.B. // Успехи химии. 2004.73. № 3. С. 292.

15. Lee L.H. // Langmuir. 1996.12. P. 1681.

16. Kaelble D.H. // J. Adhesion. 1970. 2. P. 66.

17. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М., 1976.

18. Abu-Surran A.S., Rieger B. // Topics in Catalysis. 1999. 7. P. 165.

Поступила в редакцию 12.11.07

FORECAST OF BIOCOMPATABILITY OF POLYOLEFINKETONES

J.G. Bogdanova, V.D. Dolzhikova, G.P. Belov, O.N. Golodkov, A.E. Chalykh

The energetic characteristics of the polyolefinketones' surfaces at the solid-gas and solid-water interfaces were determined using wetting contact angles. Two copolymers were investigated: double copolymer (propylene-CO, PCO) and ternary copolymer (propylene-CO-ethylene-CO, PECO). Incorporation of ethylene-CO-blocks in PCO leads to the surface energy increase. Comparison of interfacial energy at the solid-water interface to criteria one demonstrated the potential blood-compatibility of PECO copolymer.