Способ упрочнения гидрогелей
METHOD OF HYDROGEL HARDENING

Предлагаемое изобретение относится к медицине, а именно к тканевой инженерии и регенеративной медицине, и может быть использовано для создания имплантированных в организм скаффолдов для восстановления различных дефектов ткани.
Скаффолд - трехмерная пористая или волокнистая матрица, применяемая для восстановления дефектов тканей и органов, основная функция которой состоит в обеспечении механического каркаса для клеток и поддержки тканевого дефекта [Stella J.A., D'Amore A., Wagner W.R., Sacks M.S. On the biomechanical function of scaffolds for engineering load-bearing soft tissues. Acta Biomater, 2010. V. 6 N. 7. P. 2365-2381, doi: 10.1016/j.actbio. 2010.01.001]. Механические свойства скаффолда должны быть схожи с механическими свойствами окружающей ткани. Это важно, во-первых, для дифференцировки в нужном направлении клеток, помещенных на поверхность скаффолда, во-вторых, для ослабления тканевого ответа при их имплантации, в-третьих, для регулирования скорости биодеградации скаффолдов (она должна соответствовать скорости восстановления ткани пациента).
Гидрогели являются перспективным материалом для создания скаффолдов (Zhu J., Marchant R.E. Design properties of hydrogel tissue-engineering scaffolds // Expert review of medical devices. 2011. V. 8. №5. P. 607-626). Основной особенностью, ограничивающей применение гидрогелевых скаффолдов, является их механическая прочность (низкие значения модуля Юнга). Сами по себе гидрогели являются мягкими и хрупкими, не могут долгое время выдерживать большие деформации, что происходит, главным образом из-за наличия в полимерной сетке несшитых компонентов. В связи с этим важно делать гидрогели более прочными (повысить модуль Юнга).
Известен способ упрочнения гидрогелей (заявка США 20060134050, МПК А61K 8/80, опубл. 22 июня 2006), основанный на химическом взаимодействии и заключающийся в добавлении в материал гидрогеля для получения дополнительных сшивок биоактивных веществ с молекулярной массой от 2000 до 1000000.
Основной недостаток данного способа заключается в том, что из подобного гидрогеля невозможно сформировать структуру скаффолда заданной архитектоники, например, используя лазерные технологии трехмерного принтинга.
Известен также способ упрочнения гидрогелей, основанный на использовании наноразмерных материалов, которые вводят в структуру гидрогеля. Например, при введении в гидрогель неорганических частиц наноглины его механические характеристики могут увеличиться в несколько раз в сравнении с исходным гидрогелем (K. Haraguchi, Т. Takehisa, Nanocomposite hydrogels: A unique organic-inorganic network structure with extraordinary mechanical, optical, and swelling/de-swelling properties // Adv. Mater. 2002. V. 14. P. 1120-1124, doi: 10.1002/1521-4095(20020816)14:16<1120::AID-ADMA1120>3.0.CO;2-9).
Однако известный способ имеет ряд недостатков. Один из них заключается в том, что наноразмерный наполнитель в структуре гидрогеля при его введении распределяется не достаточно равномерно, поэтому повышение механических свойств по всему объему происходит неравномерно. Помимо этого, введение наноразмерного наполнителя может вызывать токсическое действие на клетки (Carrola, J., Bastos, V., Jarak, I., Oliveira-Silva, R., Malheiro, E., Daniel-da-Silva, A.L., et al. Metabolomics of silver nanoparticles toxicity in HaCaT cells: structure-activity relationships and role of ionic silver and oxidative stress // Nanotoxicology. 2016. V. 10, N. 8. P. 1105-1117).
Указанных недостатков лишен наиболее близкий к предлагаемому способ упрочнения гидрогелей, принятый за прототип (Тимашев П.С, Бардакова К.Н., Чурбанов С.Н., Кротова Л.И., Григорьев A.M., Новиков М.М., Лакеев С.Г., Севастьянов В.И., Баграташвили В.Н. Сверхкритическая флюидная обработка трехмерных гидрогелевых матриксов, полученных из производных хитозана // Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2016. Т. 18. №3. С. 85-93. doi: 10.15825/1995-1191-2016-3-85-93). Способ заключается в обработке гидрогеля в среде сверхкритического диоксида углерода с температурой 40°С и давлением 12 МПа в течение 1.5 часов, после чего нагревательный элемент выключается, а давление в реакторе постепенно снижается до атмосферного в течение 1 часа. Известный способ позволяет практически на порядок повысить модуль Юнга для гидрогелей, за счет эффективного удаления из материала гидрогеля несшитых компонентов. Важно, что известный способ не изменяет химическую структуру материала и не влияет на его токсичность. Недостаток известного способа заключается в низкой эффективности, поскольку повышение прочности материала в среднем на один порядок недостаточно для создания гидрогелевых скаффолдов для регенерации хрящевой ткани с модулем Юнга 0,45-0,80 МПа (в кн. Mansour J.М. Biomechanics of cartilage // Kinesiology: the mechanics and pathomechanics of human movement. 2003. C. 66-79). Невозможность увеличить модуль Юнга существенно больше, чем на порядок, связано с низкой эффективностью удаления несшитых компонентов из материала.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка эффективного способа упрочнения гидрогелей.
Техническим результатом является повышение модуля Юнга (увеличение прочности) гидрогелевых скаффолдов на два и более порядка в сравнении с необработанным скаффолдом.
Такие скаффолды могут успешно использоваться для регенерации тканей с высокими значениями модуля Юнга, например хрящевых тканей.
Поставленная техническая задача, обеспечивающая получение заданного результата, достигается тем, что в способе упрочнения гидрогелей, заключающемся в обработке гидрогелевого скаффолда в реакторе в среде сверхкритического диоксида углерода при температуре выше комнатной с последующим понижением температуры и постепенным снижением давления в реакторе до атмосферного, обработку в реакторе ведут в течение 1-2 часов при температуре 40-50°С и давлении 5-15 МПа, а постепенное снижение давления диоксида углерода после обработки производят в течение 0.5-2 часов, при этом скорость потока диоксида углерода, обтекающего скаффолд, поддерживают в диапазоне 0.05-1 мм/с.
Результаты испытаний образцов, полученных при реализации предложенного способа, представлены на чертеже, на котором показаны графики распределения модуля Юнга по поверхности образцов необработанного (а) и обработанного (б) гидрогелевого скаффолда.
Пример осуществления способа
Для экспериментов использовали образцы, полученные на основе фоточувствительных гидрогелей методом лазерной стереолитографии (Тимашев П.С., Бардакова К.Н., Чурбанов С.Н., Кротова Л.И., Григорьев A.M., Новиков М.М., Лакеев С.Г., Севастьянов В.И., Баграташвили В.Н. Сверхкритическая флюидная обработка трехмерных гидрогелевых матриксов, полученных из производных хитозана //Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2016. Т. 18. №3. С. 85-93. doi: 10.15825/1995-1191-2016-3-85-93). Измерение модуля Юнга образцов проводилось с помощью наноиндентера Piuma Nanoindenter (Opticsll, Нидерланды) (Ernst Breel. Characterizing the micro-mechanical properties of immersed hydrogels by nanoindentation. Technical Report. 2015. DOI: 10.13140/2.1.3580.9606).
2
Образцы помещали в реактор из нержавеющей стали объемом 25 мл внутрь термостата. Образец, параметры которого представлены на фиг. 1, обрабатывался следующим образом. В термостате устанавливали температуру 40-50°С и по достижении заданных температур начинали подавать в реактор углекислый газ из баллона до давления ~5 МПа. Затем включали плунжерный насос с давлением 15 МПа. Когда давление в реакторе достигало заданных величин, постепенно открывали вентиль тонкой регулировки таким образом, чтобы давление в системе не падало, а поток минимально отклонялся от заданного и составлял 5-7 мл/мин, что соответствовало скорости перемещения СО в реакторе 0.08-0.12 мм/с. Обработку проводили в течение 1.5 часов, после чего спускали давление в системе до атмосферного в течение 1.5 часов.
Как видно из фиг. 1, после обработки образцов предлагаемым способом модуль Юнга материала образца по сравнению с исходными показателями увеличился более чем на два порядка.
2
Проведенные эксперименты показали, что обработка скаффолдов сверхкритическим СО значительно увеличивает прочность материала по сравнению с необработанными образцами и образцами, обработанными способом, который был принят за аналог. Средние значения модуля Юнга составили: для исходных гидрогелевых скаффолдов - 3,3±0,9 кПа; для обработанных аналогом - 54±18 кПа; для обработанных предлагаемым способом - 600±220 кПа.
Полученный технический результат обусловлен тем, что в процессе обработки гидрогелевых скаффолдов в проточном реакторе с постоянным потоком сверхкритического диоксида углерода интенсифицируются массообменные процессы и происходит эффективный отвод из полимерной сетки несшитых компонентов, которые в большей степени определяют низкие значения модуля Юнга (низкую прочность) необработанного гидрогеля.
Таким образом, поставленная задача полностью решена, а именно разработан эффективный способ упрочнения гидрогелей.