Гидролитическая деградация модифицированных полимерных матриксов медико-биологического назначения

токоферола позволяет избежать проблем, связанных с пластификацией

свмпэ.

Библиографические ссылки

1. Ingham Е., Fisher J. The role of macrophages in osteolysis of total joint replacement//Biomaterials, 2005. 26. 1271 p.

2. Unified wear model for highly crosslinked ultra-high molecular weight poly-ethylenes / Miratoglu O.K., Bragdon C.R., OConnor D.O., Jasty M., Harris W.H., Gul R.//Biomaterials, 1999. 20. 1463 p.

3. Carlsson D., Chmela S., Lacoste J., On the structures and yields of the first peroxyl radicals in y-irradiated polyolefins // Macromolecules, 1990. 23. 4934 p.

4. Impact of gamma sterilization on clinical performance of polyethylene in the knee / Collier J.P., Sperling D.K., Currier J.H., Sutula L.C., Saum K.A., Mayor MB. //J. Arthroplasty, 1996. 11. 377 p.

5. Gamma sterilization of UHMWPE articular implants: An analysis of the oxidation problem / Premnath V., Harris W.H., Jasty M., Merrill E.W. // Biomaterials, 1996. 17. 1741 p.

6. Characterization of blends of alpha-tocopherol and UHMWPE / Oral E., Greenbaum E.S., Malhi A.S., Harris W.H., Muratoglu O.K. // Biomaterials, 2005. 26. 6657 p.

7. Migration stability of alpha-tocopherol in irradiated UHMWPE / Oral E., Wannomae K.K., Rowell S.L., Muratoglu O.K. //Biomaterials. 2006. 27. 2434 p.

8. Reno' F., Cannas M. UHMWPE and vitamin E bioactivity: an emerging perspective // Biomaterials, 2006. 27. 3039 p.

9. Влияние сухого трения скольжения на физико-химические свойства СВМПЭ / Ю.А. Хрусталёв, И.Н Пономарёв, ЕЮ. Хрусталёва, JI.A. Вячеславова, М.Р. Киселёв // Журнал физической химии, 1995. 69. №7. С. 1291-1298.

УДК 678.541.6

А.И. Шацкий, Ю.М. Будницкий

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ГИДРОЛИТИЧЕСКАЯ ДЕГРАДАЦИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИКСОВ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Applications of aliphatic polyesters (poly-L-lactide and poly-e-caprolactone) as matrices for tissue engineering are investigated. Hydrolytic degradation behavior of such matrices in deion-ized water at 37 and 60 С is explained in detail. Comparison is done of degradation behavior of matrices with different morphological structures. Also, the use of nanodiamond particles as fillers for scaffolds for tissue engineering is investigated.

Рассмотрено применение сложных алифатических полиэфиров (поли-Ь-лактида и поли-е-капролактона) в качестве матриксов для тканевой инженерии. Подробно рассмотрено деградационное поведение таких матриксов в деионизированной воде при 37 и 60 С. Проведено сравнение деградационного поведения матриксов с различной морфологической структурой. Рассмотрено применение наноалмазов в качестве наполнителей матриксов для тканевой инженерии.

Тканевая инженерия является одним из методов регенеративной медицины и служит для восстановления больных, повреждённых или утраченных тканей и органов. Матриксы для тканевой инженерии должны удовлетворять следующим критериям: быть биосовместимыми, обеспечивать адгезию клеток, быть резорбируемы и в конечном итоге выводиться из тела реципиента, должны быть пористыми с хорошей взаимосвязанностью пор, должны обладать хорошо воспроизводимыми параметрам, должны переносить стерилизацию без ухудшения их свойств.

Матриксы для тканевой инженерии преимущественно изготавливают из биоразлагаемых полимеров: природных (полисахариды и полипептиды) и синтетических (главным образом сложные алифатические полиэфиры). Преимущество природных полимеров в том, что они содержат биоактивные центры, на которых осуществляется эффективная адгезия и рост клеток. Однако, для таких материалов характерен механизм ферментативного расщепления, а так как активность ферментов меняется от реципиента к реципиенту, то скорость деградации матриксов на основе этих материалов также будет варьироваться. Напротив, многие синтетические полимеры претерпевают гидролитическую деградацию, скорость которой слабо зависит от реципиента. В случае синтетических полимеров воспроизводимость параметров матриксов при серийном производстве оказывается намного выше, легче добиться необходимых значений этих параметров. Синтетические полимеры обладают лучшими прочностными свойствами и могут быть легко модифицированы.

Полигликолид (polyglycolide, PGA), поли-Ь-лактид (poly-L-lactide, PLLA), поли-8-капролактон (poly-8-caprolactone, PCL), их сополимеры и смеси являются наиболее часто используемыми в тканевой инженерии сложными алифатическими полиэфирами (рис. 1).

Рис. 1. Структурные формулы полигликолида (1), поли-Ь-лактида (2) и

поли-£-капролактона

PLLA и PCL обладают схожей химической структурой, однако PCL имеет большее количество метиленовых фрагментов между сложноэфирны-ми связями, поэтому его макромолекулы проявляют большую гибкость, а

его аморфная фаза обладает значительно меньшей температурой стеклования, чем в случае Р1ХА.

Основные свойства PLLA и PCL

Свойство Ед. изм. PLLA PCL

Плотность кг/м3 1,26 1Д5

Время полной деградации мес. 12-18 >24

Температура стеклования °С 59 -62

Температура плавления °С 178 57

Температура разложения °с 255 350

Прочность на разрыв МПа 48 16

Модуль упругости ГПа 3 0,4

Удлинение при разрыве % 2 80

При комнатной температуре PCL находится в эластичном, а PLLA - в стеклообразном состоянии. Одним из распространённых подходов для получения матриксов с желаемыми свойствами является совмещение PCL и PLLA путём их сополимеризации, или смешения. Последний способ является более дешёвым и поэтому предпочтителен.

Процесс деградации для PLLA и PCL зависит как от свойств среды, в которой проводится деградация, так и от особенностей свойств исследуемых образцов. Свойства деградационной среды включают pH, температуру, присутствие влаги, кислорода, микроорганизмов, различных ферментов и т.д. Исследования абиотической деградации PLLA и PCL проводили в среде де-ионизированной воды и фосфатного буфера (pH = 7,4) при температурах 37 и 60 °С. Свойства испытуемых образцов зависят от большого количества факторов: химической и стереохимической структуры полимера; ориентации макромолекул; морфологии матрикса; формы и размера пор, их взаимосвязанности; молекулярной массы и молекулярно-массового распределения полимера; присутствия остаточного мономера, олигомеров и других низкомолекулярных веществ; параметров переработки (способа переработки, температуры, присутствия различных технологических добавок) и способа стерилизации.

При исследовании гидролитической деградации не пористых матриксов из PLLA и PCL в деионизированной воде, PLLA показал большую склонность к деградации: для матриксов из PCL отмечается меньшая потеря массы (2 % после 21 недели для PCL и 30 % после 13 недель для PLLA при 37 °С), а также меньшее снижение pH (до 6,6 после 21 недели для PCL и до 2,5-3 после всего-навсего 2 недель для PLLA при 37 °С). Скорость деградации для PLLA в большей степени возрастает с повышением температуры, чем для PCL. Для PLLA при 37 °С отмечается только 30 %-ая потеря массы, тогда как при 60 °С потеря массы составляет 90 % после одинакового времени деградации. Такая закономерность сохраняется и для пористых матриксов, и может быть объяснена структурными изменениями в процессе деградации, которые зависят главным образом от температуры стеклования исследуемого полимера и температуры, при которой проводится деградация.

Так, для кристаллических полимеров, если температура стеклования ниже температуры деградации, то последующая кристаллизация может происходить в процессе деградации. Это наблюдается при 37 °С для PCL. Если температура стеклования выше температуры деградации, то в процессе деградации будет происходить физическое старение (а именно релаксация напряжений) аморфной части как в кристаллических, так и в некристаллических полимерах. Это наблюдается при 37 °С для PLLA [1,2].

При сравнительном исследовании деградационного поведения пористых и не пористых матриксов из PLLA и PCL [3], была обнаружена большая скорость к деградации не пористых матриксов по сравнению с пористыми, что в обоих случаях было объяснено эффективной диффузией кислотных продуктов деградации из пористых образцов благодаря хорошей взаимосвязанности пор. Таким образом, подавляется характерный для PLLA и PCL механизм автокаталитического гидролиза. В общем случае считается, что скорость деградации для пористых полимерных материалов снижается с повышением пористости и размера пор [3].

Наполнение полимерных материалов дискретными и непрерывными наполнителями является широко распространённым способом улучшения их механических характеристик и прочих свойств. Наиболее часто используемыми для модификации матриксов для тканевой инженерии нанонаполни-телями являются углеродные нанотрубки, слоистые силикаты, функциона-лизированные алюмоксаны и гидроксиаппатит. В последнее время наноал-мазосодержащие нанокомпозиты также стали использоваться в тканевой инженерии, особенно для регенерации костной и хрящевой ткани [4-6].

Наиболее полезные для тканевой инженерии свойства наноалмазов это их высокая биосовместимость и способность значительно улучшать механические характеристики композиционных матриксов на их основе. Также, большое значение для широкого применения таких материалов имеет тот факт, что наноалмазы синтезируются в больших количествах и имеют невысокую стоимость.

Исследовалось применение наноалмазов в качестве модификаторов матриксов для тканевой инженерии на основе PLLA. Основная цель модификации PLLA наноалмазами была улучшить механические свойства и термостабильность полимерного материала. Для композита с (О)-привитыми наноалмазами, показано увеличение способности PLLA к кристаллизации, повышение динамического модуля упругости (до 22 %), статического модуля упругости (до 19 %), предела прочности (до 5 %) и термостабильности. Для наноалмазов, функцианализированных октадециламином (ND-ODA) показано увеличение модуля упругости (до 200 %) и прочности (до 800 %). Модификация PLLA с ND-ODA дала намного больший положительный эффект для прочностных свойств. Для композитов с ND-ODA (а также для исходного полимера) были проведены испытания цитотоксичности и биосовместимости, не показавшие негативных воздействий на мышиные остеобласты. Напротив, модифицированные материалы поддерживали их дифферен-цировку, рост и распространение in vitro.

Таким образом, представленные данные говорят о перспективности дальнейших исследований применения наноалмазов в качестве наполнителей полимерных матриксов для тканевой инженерии.

Библиографические ссылки

1. Sofia Regnell Andersson. Polylactide Stereocomplexation Leads to Higher Hydrolytic Stability but More Acidic Hydrolysis Product Pattern. /Sofia Regnell Andersson. Minna Hakkarainen, Saara Inkinen // Biomacromolecules, 2010. 11. 11. P. 1067-1073.

2. Minna Hakkarainen. ESI-MS Reveals the Influence of Hydrophilicity and Architecture on the Water-Soluble Degradation Product Patterns of Biodegradable Homo- and Copolyesters of l,5-dioxepan-2-one and 8-Caprolactone /Minna Hakkarainen, Grazyna Adamus, Anders Hoglund, Marek Kowalczuk // Macro-molecules, 2008, 41. P. 3547-3554.

3. Anders Hoglund. Degradation Profile of Poly(s-caprolactone) - the Influence of Macroscopic and Macromolecular Biomaterial Design / Anders Hoglund, Minna Hakkarainen, Ann-Christine Albertsson // Journal of Macromolecular Science, Part A: Pure and Applied Chemistry, 2007. 44. P. 1041-1046.

4. Amanda M. Schrand. Nanodiamond Particles: Properties and Perspectives for Bioapplications /Amanda M. Schrand, Suzanne A. Ciftan Hens, Olga A. Shenderova // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 2009. 34. P. 18-74.

5. Yong-Qing Zhao. Nanodiamond/poly(lactic acid) nanocomposites: Effect of nanodiamond on structure and properties of poly(lactic acid) / Yong-Qing Zhao, Kin-Tak Lau, Jang-kyo Kimc, Cai-Ling Xu, Dan-Dan Zhao, Hu-Lin Li // Composites: Part B, 2010. 41. P. 646-653.

6. Yong-Qing Zhaol. Manufacture of a Homogenous Nanodiamond/Poly(lactic acid) / Yong-Qing Zhaol, Kin-Tak Lau, Hu-Lin Li // Bio-engineered Composite. Advanced Materials Research, 2008. 47-50. P. 1221-1224.

УДК 678.746.22:535

О.А. Яровая, Т.К. Лазарева, Т.Н. Андреева, Т.П. Кравченко

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия ОАО «Институт пластмасс имени Г.С. Петрова», Москва, Россия

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СВЕТОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИСТИРОЛА

Materials of lighting purposes on the basis of polystyrene was developed. The scattering additive is unoxidized homopolymer polyethylene wax. The effect of polyethylene wax on lighting and mechanical properties of composite material was investigated