СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОДЕГРАДИРУЕМОГО ПОКРЫТИЯ С ВЫСОКОЙ ГИДРОФИЛЬНОСТЬЮ НА ОСНОВЕ БИОПОЛИМЕРА
METHOD FOR PRODUCING A BIODEGRADABLE COATING WITH HIGH HYDROPHILICITY BASED ON A BIOPOLYMER

Изобретение относится к биоразлагаемым полимерным покрытиям, которые могут быть использованы для улучшения биоинтеграции медицинских имплантов, обеспечивающегося дополнительным формированием полярных групп на поверхности в процессе плазмообработки полимера или композиции на его основе, а также улучшенной гидрофильностью поверхности. Имплантаты с таким покрытием могут быть использованы в медицине и ветеринарии для лечения дефектов костей, включая как временные, так и постоянные имплантаты, например, протезы, которые остаются в теле. Предлагаемый способ также может применяться для формирования на различных подложках покрытий, поверхность которых, предназначена для культивирования клеток с целью увеличения клеточной адгезии и пролиферации на поверхности.
Известно использование титана для изготовления имплантов, однако несмотря на различные обработки его поверхности [1], поверхность остается биоинертной и не обладает существенными биоактивными свойствами. Частично данная проблема решается использованием покрытий на основе гидроксиаппатита и других кальцийсодержащих соединений, однако ввиду как слабой адгезии данных слоев к титану, так и недостаточной прочностью, малым диапазоном возможной вариации времени биодеградации, и других недостатков разрабатываются и предлагаются и варианты покрытий содержащих биополимеры и биомолекулы, например коллаген [2] и другие биомолекулы, существенно влияющие на дифференцировку, адгезию клеток и в целом на время интеграции импланта в организме, а также ускорение регенерации тканей [3].
Для улучшенного восстановления тканей известно использование биодеградируемых полимеров причем наилучших параметров удается достичь при использовании плазмообработки полимера [4], а также использования композитных структур с оксидом титана и гидроаксиаппатитом для работы остеобластов и остеокластов на длительном/позднем периоде интеграции [5], однако не менее важным является начальный период интеграции, обеспечивающий первоначальную адгезию клеток и начала интеграционных процессов.
50
Известно изобретение [6], где плазмообработкой полимерного биодеградируемого материала решается задача формирования поверхности пригодной для лучшей адгезии клеток, что важно на первых этапах интеграции имплантов, а также для создания поверхностей для культивирования различных клеток, что совпадает с задачами, для решения которых предлагается настоящее изобретение. Причем для реализации такого подхода предлагается плазмоактивированная полимеризация ненасыщенных углеводородов на поверхности в том числе биодеградируемого полимера с последующей дополнительной обработкой поверхности, обеспечивающей активацию поверхности и формирование наибольшего количества гидрофильных групп. Такой подход выгоден тем, что позволяет создать большее количество функциональных групп на поверхности покрытия, чем то, которое можно создать, например, при обработке в плазме инертного газа, и которое ограничено по их удельному содержанию на единицу площади самой структурой и стабильностью самой структуры биополимеров и имеет ограничения по сохранению их во времени (ввиду процессов одновременного травления), например для чистого полилактида [7]. Однако использование предлагаемых в указанном изобретении соединений сопряжено с риском их неполной полимеризации, а сами соединения, например глицидилметакрилат или ал лиловый спирт имеют существенный токсический эффект (среднее значение полулетальной дозы, или иначе средней смертельной дозы (LD) составляет всего 300-600 мг/кг [8] и всего 64 мг/кг [9] соответственно, что позволяет отнести их к 3 классу опасности по одной из приятых классификаций [10], в то время как даже растворители, используемые для приготовления растворов например лактида относятся лишь к 4 классу (что будет рассмотрено ниже). Это соответственно может привести к негативным последствиям для роста тканей и клеток на подобных поверхностях. Кроме того подобный метод требует отработанной системы подачи паров указанных соединений и таким образом ведет к удорожанию получения таких покрытий.
Более распространен подход формирования функциональных групп за счет специфического состава газа - аргона, кислорода и других, в самой плазме без приоритетного процесса плазмоактивированной полимеризации. Например, обработка в газе, содержащем до 10% паров воды, аммиака, органических соединений с аминогруппой или органических спиртов, эфиров или кислот [11, 12], что позволяет в последующем связывать с такой поверхностью уже различные биологически активные молекулы, выполняющие определенные функции. Это существенно повышает не только взаимодействие с клетками [13], но и существенно расширяет сферы применения таких поверхностей для использования в различных имплантируемых устройствах.
Модификацией такого подхода является использование первоначального формирования функциональных групп с последующим связыванием с ними молекул существенно улучшающих гидрофильность поверхности, Причем в качестве исходных молекул для формирования первоначальных групп из газовой фазы при плазмообработке поверхности полимера служат молекулы, имеющие двойную связь (С=С, C=N, С=O), подразумевая через ее изменение в плазме связывание молекул с полимером с формированием функциональных групп [14]. Однако ключевым начальным условием для связывания биополимеров и адгезии клеток является формирование высокой концентрации функциональных групп на поверхности, определенная степень гидрофильности поверхности, для реализации чего использование полимеров, особенно биодеградируемых, является наиболее удобным.
В случае когда поверхность полимера изначально гидрофобная весьма эффективным оказывается уже простое формирования слоя полимера или олигомера, содержащего полярные группы на поверхности, например полиэтиленгликоля с акриловой концевой группой, который затем подвергается плазмообработке [15]. Таким образом, количество функциональных групп в значительной степени определялось именно модифицирующим поверхность полимером/олигомером, наносимым из раствора. Однако молекулярная структура данного полимера/олигомера мало чем отличается от полилактида, сополимера полигликолида и полилактида им подобных, что не позволяет сформировать максимальную плотность необходимых функциональных групп ввиду как происходящих одновременно с процессов функционализации процессов травления так и того, что структура данных полимеров (как будет показано далее) не вполне оптимальна с точки зрения вероятности формирования радикалов и функциональных групп.
50
Известен способ формирования гидрофильного материала для ускоренного восстановления тканей путем введения в состав полимерной композиции дополнительного сшивающего агента и одновременно добавки, увеличивающей количество полярных функциональных групп на поверхности материала, - генипина, ковалентно связываемого с полилактидом через алкил-содержащие соединения с концевыми аминогруппами с образованием пористого материала [16]. Однако присутствие таких сшивающих агентов не всегда оправдано ввиду их достаточно высокой токсичности (для генипина LD около или менее 300 мг/кг [17]) хотя и способствует существенному увеличению гидрофильности поверхности в сравнении с исходным полилактидом, а также ускоренному восстановлению тканей.
В результате рассмотрения известных способов формирования покрытий, подходящих для улучшенного закрепления и роста клеток, снижения периода восстановления тканей и интеграции импланта в целом наиболее близким прототипом можно считать способ [18] обеспечивающий получение покрытия с высокой гидрофильностью на основе биодеградируемого полимера, в качестве которого используют один из следующих полимеров или их смесь: полилактид, сополимер лактида и гликолида, поликапролактон, включающий нанесение слоя биодеградируемого полимера на поверхности и, в том числе, поверхности имплантов из раствора с последующей обработкой в плазме. В предлагаемом к патентованию способе предлагается использовать другой состав биодеградируемого полимера чем в патенте-прототипе, а именно сополимер лактида и капролактона, которые при обработке в плазме сильно меняют свою гидрофильность. Также в прототипе предлагается иной состав дополнительно добавляемых в раствор модифицирующих добавок, обладающих температурой кипения свыше 180°С и имеющих фенильную группу, или их смесь: бензиловый спирт, фенил-этиловый спирт, бензил-ацетат. При этом, в совокупности с параметрами среднемассовой молекулярной массы биодеградируемого полимера и параметрами последующей обработки покрытия в плазме, изменение сочетания смеси растворителей модифицирующей добавки, в предлагаемом к защите способе, приводит к существенному изменению параметров гидрофильности поверхности.
В существующем уровне техники и технологии формирование покрытия имплантов с модифицированной поверхностью основано на использовании различных методах обработки в растворах и плазме различного состава газов в том числе полимерных биодеградируемых покрытий и материалов, однако как рассмотрено выше существующие способы и в том числе прототип реализуют модификацию поверхности путем изменения состава газовой среды при плазмообработке с использованием соответственно молекул, содержащих двойные связи, потенциально активируемые еще в газовой фазе и связываемые с молекулами полимера, формируя таким образом дополнительные функциональные группы на поверхности, однако сам способ введения модифицирующих молекул в газовой фаз имеет ряд недостатков. Так, использование для обработки плазмой поверхности полимеров указанного состава парогазовой смеси имеет ряд недостатков, и не гарантирует достижения максимального значения формирования необходимых функциональных групп на поверхности. Это связано во-первых с тем что их разложение в газовой фазе приводит не в полной мере к высоковероятному процессу формирования требуемой функциональной группы на поверхности полимера. Во-вторых концентрация наиболее существенных паров/газов в составе паро-газовой смеси ограничена технологическими возможностями и требованиями к газам по давлению и составу для организации и поддержания собственно самой плазмы. А в третьих - при такой плазмообработке поверхности поверхностная плотность формируемых функциональных групп зависит в основном от параметров применяемой плазмы и таких как дозы или энергии на единицу площади [7], что с учетом проходящих одновременно процессов разрушения полимера и соответственно его травления дает существенные ограничения на возможность увеличения поверхностной плотности формируемых функциональных групп. И наконец в четвертых при таком подходе нет возможности использования стандартных технологических установок обработки в плазме, например аргона или кислорода, широко распространенных в технологических процессах разных отраслей промышленности.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается формировании покрытия на основе биодеградируемого полимера с модифицированной функциональными группами поверхностью обеспечивающего улучшенное взаимодействие с молекулами различных биополимеров в том числе внеклеточного матрикса, а также закрепления клеток. При этом, описываемый способ обеспечивает формирование поверхности с высокой степенью гидрофильности, которая сохраняется после получения не менее нескольких суток при нормальных условиях, и позволяет реализовать более технологичный способ добавления молекул, способных к формированию полярных функциональных групп в приповерхностном слое биодеградируемого полимера, а также существенное нивелирование процесса травления полимера при формировании функциональных групп при обработке поверхности в плазме.
2
Это достигается тем, что покрытие на основе биодеградируемого полимера, получают путем нанесения слоя биодеградируемого полимера на различные поверхности и, в том числе, поверхности имплантатов из раствора с последующей обработкой в плазме, причем для увеличения количества мест формирования функциональных групп в приповерхностном слое используют следующую рецептуру раствора: в качестве основного растворителя в составе раствора используют один из следующих растворителей, обладающих температурой кипения до 110°С, или их смесь: тетрагидрофуран, дихлорметан, диоксан, этил-ацетат; причем в качестве биодеградируемого полимера используют сополимер лактида и капролактона. При этом, дополнительно осуществляют добавление в раствор от 0,5% до 20% по массе по отношению к основному растворителю одного из следующих веществ, играющих роль модифицирующей добавки, обладающих температурой кипения свыше 170°С и имеющих фенильную группу, или их смесь: бензиловый спирт, фенил-этиловый спирт, бензил-ацетат, бензальдегид, ацетофенон, причем для приготовления раствора используют биодеградируемый полимер со среднемассовой молекулярной массой не менее 40 кДа, которая обеспечивает большую временную стабильность параметров приповерхностного слоя покрытия; при этом для удаления остаточного количества основного растворителя из получаемого покрытия осуществляют термообработку покрытия при температуре, не превышающей температуру стеклования биодеградируемого полимера, осуществляя удаление основного растворителя с сохранением остаточного количества модифицирующей добавки при этом для удаления остаточного количества основного растворителя из получаемого покрытия осуществляют термообработку покрытия при температуре, не превышающей температуру стеклования биодеградируемого полимера, при этом последующую обработку покрытия в плазме проводят в камере с низкотемпературной плазмой, формируемой высокочастотным генератором при удельной мощности не более 60 мВт/см в течение не более 100 секунд и энергии ионов менее 100 эВ для снижения вклада нежелательных процессов травления, нагрева и/или чрезмерного разрушения или существенного снижения молекулярной массы молекул приповерхностного слоя полимера.
Решения указанной задачи и достижение необходимых характеристик такого покрытия основаны на результатах экспериментов реализации ряда примеров осуществления настоящего изобретения, а также ряда известных данных.
Использование полимерных покрытий является одним из способов решения улучшения взаимодействия клеток и тканей с поверхностью имплантов. Покрытия на основе сополимера лактида и капролактона, позволяют улучшить клеточную адгезию к поверхности, в том числе в имплантах, например по сравнению с поверхностью титана [19], причем покрытия могут быть легко нанесены на произвольную поверхность посредством метода вытягивания подложки или импланта из раствора. Однако сам сополимера лактида и капролактона при этом, как известно, не обладает приемлемой смачиваемостью по воде (угол смачивания по воде до 75° и выше) и показывает хотя и уже значительно лучшие результаты клеточной адгезии и роста по сравнению с титановой поверхностью, но в то же время лишь несущественно лучшие результаты, а в некоторых случаях даже все равно более худшие результаты клеточной адгезией и роста в сравнении с культуральным пластиком [20], однако данные недостатки могут быть частично или полностью преодолены путем модификации поверхности биополимера посредством обработки в плазме.
Добавление функциональных групп предлагается осуществлять путем введения модифицирующей добавки в раствор, а не путем изменения газового состава при плазмообработке. Однако при получении биодеградируемого покрытия из раствора необходимо удаление из объема сформированной пленки остаточного основного растворителя, остающегося там в существенном количестве, что приводит к необходимость температурной обработки. В противном случае наблюдается крайне негативные следствия его остаточного присутствия, даже если в качестве основного растворителя использовался легколетучий растворитель дихлорметан, что выражается в крайне малом количестве закрепляющихся на поверхности клеток [21], не характерном для полилактида даже в отсутствие специальной обработки поверхности в плазме. При этом, однако, необходимо сохранение в объеме покрытия или в его приповерхностной части определенного количества молекул модифицирующей добавки, способных к формированию необходимых функциональных групп, формируемых при их активации при обработке плазмой поверхности, причем так, чтобы этот процесс проходил бы с большей эффективностью в сравнении с травлением полимерного покрытия, что позволило бы увеличить концентрацию функциональных групп на поверхности, например гидроксильных и карбоксильных или иных кислородсодержащих полярных групп с улучшением гидрофильности поверхности до уровня выше, чем может быть достигнут при обработке не модифицированной предварительно поверхности в плазме; что существенно более технологично и не требует использования специфического состава газовой смеси при плазмообработки.
50
50
При этом молекулы модифицирующей добавки, предлагаемые в настоящем изобретении имеют известный токсический эффект или токсичность, количественно определяемую по среднему значению полулетальной дозы (LD), ту же по порядку величины, что и основной растворитель, и могут быть отнесены к категории малотоксичных веществ, для которых тут LD принимается как составляющая около 1300 мг/кг и более при оральном введении для крыс.
50
50
50
50
50
50
Так бензиловый спирт имеет LD от около 1230 мг/кг до 3120 мг/кг [22, 23], а фенилэтиловый спирт имеет LD более 1790 мг/кг [24], а бензилацетат имеет LD около 2490 мг/кг [25], бензальдегид имеющий LD около 1300 мг/кг [26], ацетофенон имеющий LD около 815 мг/кг [27]. При этом для сравнения тетрагидрофуран и дихлорметан имеют LD около 1600 мг/кг [28, 29]. Таким образом, предлагаемые модифицирующие добавки не могут существенно повысить токсичность получаемого покрытия, тем более что большая часть молекул модифицирующей добавки в приповерхностном слое будет активирована и видоизменена при плазмообработке.
Для приготовления растворов в качестве основного растворителя могут быть использованы дихлорметан, тетрагирофуран, хлороформ, диоксан, ацетон, этилацетат и другие легколетучие растворители (т.е. как минимум с температурой кипения менее 110°С), используемые для приготовления раствора биодеградируемого полимера, под которыми в настоящем изобретении подразумевают сополимер лактида и капролактона. Использование в качестве биодеградируемого полимера сополимера лактида и капролактона целесообразно для различных применений, а возможность их использования в предлагаемом способе обусловлена схожими свойствами полимеров, возможностью формирования растворов в указанных растворителях и известным данным по улучшению гидрофильности поверхности полимеров сходных с сополимером лактида и капролактона, например полилактида и его сополимеров, посредством плазмообработки [30, 31, 32, 33, 34, 35]. Необходимость выбора легколетучих растворителей объясняется большей легкостью их удаления и соответственно уменьшением времени термообработки покрытия после его получения.
Экспериментально было показано, что основной растворитель остается после термообработки в количестве не более 1% относительно массы всего покрытия. Однако количество остающихся после термообработки покрытия молекул модифицирующей добавки некоторым образом пропорционально исходному их содержанию в растворе, при этом достаточно точно задать их количественное внесение сложно. Тем не менее, это может быть осуществлено путем варьирования в исходном растворе и добавления в раствор от 0,5% до 20% по массе по отношению к основному растворителю одного из следующих веществ, играющих роль модифицирующей добавки, обладающих температурой кипения свыше 170°С и имеющих фенильную группу, или их смеси: бензиловый спирт, фенил-этиловый спирт, бензилацетат, бензальдегид, ацетофенон.
Массовая концентрация модифицирующей добавки менее 0,5% относительно сополимера не обеспечит формирования хотя бы одной дополнительной функциональной группы для одной указанной полимерной молекулы в случае формирования при обработке в плазме реакционноспособных групп и радикалов из молекул модифицирующей добавки. При этом добавка менее 0,5% не существенна и не заметна по изменению угла смачивания поверхности полимера при сравнении с случаем модификации поверхности полимера в плазме при введении модифицирующих добавок более 0,5%;
При этом введение более 20% не оправдано ввиду того, что указанные вещества не являются растворителями для сополимера лактида и капролактона, что делает невозможным их введение более 20% ввиду существенного изменения морфологии формируемого покрытия, а также сложности формирования исходных растворов, поскольку кроме указанных причин концентрация полимера, естественно, не должна превышать предел растворимости в пересчете на основной растворитель даже с учетом добавления модифицирующей добавки в раствор (иначе формирование раствора, из которого в свою очередь формировалось бы покрытие, невозможно). При этом добавление указанного количества модифицирующей добавки в раствор согласно публикациям при условии не превышения предельной растворимости биодеградируемого полимера в пересчете на основной растворитель никак не сказывается на стабильности раствора.
С точки зрения растворимости и соответственно возможности смешивания в указанной концентрации модифицирующей добавки и основного растворителя, предлагаемые для использования в качестве модифицирующей добавки растворители отличается растворимостью во всех указанных жидкостях, используемых в качестве основного растворителя. [36, 37, 38]. Растворимость их в перечисленных жидкостях, используемых в качестве основного растворителя была проверена заявителем экспериментально. Соответственно исходя из этих известных данных возможность использования указанных жидкостей в качестве модифицирующей добавки и в том числе их смеси в указанном диапазоне массовых соотношений с основным растворителем для приготовления смесей для раствора указанного полимера представляется очевидной.
Добавление менее 0,5% с учетом проводимой процедуры термообработки, где происходит частичное удаление модифицирующей добавки, не обеспечивает существенно значимого количества модифицирующей добавки в приповерхностном слое на этапе проведения обработки в плазме, что было экспериментально проверено путем измерения угла смачивания поверхности водой в случае использования в качестве модифицирующих добавок бензилового спирта, фенил-этилового спирта бензилацетата, бензальдегида и ацетофенона. А именно, добавление менее 0,5% модифицирующей добавки приведет к изменению угла смачивания, в сравнении со случаем отсутствия модифицирующей добавки вовсе, на величину, уже менее 3°, что нельзя считать (в том числе ввиду точности используемой измерительной аппаратуры) существенным изменением гидрофильности, то есть изменения угла в меньшую сторону превышающего по абсолютному значению как минимум 3°, относительно угла смачивания для плазмообработанного полилактида, в отсутствие использования указанных модифицирующих добавок и составляющего около 45-50° по результатам измерений (что находится в соответствии с известными результатами [7]).
Экспериментально было показано, что применение 20% модифицирующей добавки также не дает заметного эффекта в сравнении с со случаем использования 15% модифицирующей добавки, что указывает на то, что для достижения технического результата применение более чем 20% модифицирующей добавки уже неоправданно ввиду слабого изменения гидрофильности, характеризуемой углом смачивания водой поверхности полимера, при увеличении добавки. Кроме того, неоправданное увеличение доли модифицирующей добавки является нежелательным с точки зрения изменения биодеградируемости или иных свойств исходного биодеградирумого полимера, используемого для формирования покрытия. Аналогичные параметры могут быть достигнуты при использовании других основных растворителей или их смеси, поскольку это не меняет способа формирования покрытия и его модификации плазме.
При этом, как было указано выше, указанные вещества легко смешиваются друг с другом и основным растворителем, в качестве которого соответственно использовались тетрагидрофуран, дихлорметан, диоксан, этил-ацетат, бензальдегид, ацетофенон; и таким образом указанных модифицирующие добавки могут быть также использованы в смеси между собой в любом соотношению друг с другом в соответствующем объеме основного растворителя, что не является принципиальным или ограничивающим фактором для достижения технического результата при использовании указанных массовых соотношений для модифицирующей добавки и основного растворителя. Основные же растворители также могут быть смешаны в любых соотношениях друг с другом, и это не является принципиальным или ограничивающим фактором для достижения технического результата.
Улучшенный результат в аспекте дополнительного улучшения гидрофильности поверхности и удельного количества функциональных групп на единицу поверхности (относительно полимера без модификаторов) достигается благодаря большей эффективности формирования функциональных групп при обработке в плазме в случае использования в составе покрытия модифицирующих молекул, содержащих фенильную группу в своей структуре. Данный эффект основывается на известных результатах сравнительной модификации полиэтилентерефталата и полилактида [39], и большей эффективности плазмообработки в аспекте улучшения гидрофильности поверхности для молекул, имеющих в своей структуре фенильные или им подобные группы [40]. Преимущественным же механизмом формирования дополнительных функциональных групп для самих молекул полимера при этом предположительно является снижение молекулярного веса и разрыв молекулярной цепи с формированием на концах гидроксильной и карбоксильной групп [41]. Однако, временная стабильность таких модификаций, и в том числе ввиду снижения молекулярной массы молекул приповерхностного слоя, может составлять при неоптимальных параметрах обработки достаточно короткое время и, соответственно, гидрофильность поверхности существенно деградирует [7, 20].
Замедление скорости деградируемости поверхности подожки немаловажно, ввиду того, что время культивирования клеточных культур на культуральном пластике может составлять до нескольких суток, причем в при взаимодействии поверхности с клетками in-vitro и in-vivo, ввиду биодеградируемости материала, поддержание необходимых параметров поверхности, актуальное как минимум несколько суток, может быть сопоставлено, вероятно, с воздействием на воздухе на порядок большего интервала времени. Таким образом, для подобных задач актуально сохранение параметров поверхности даже более 20 суток при нормальных условиях, что лучше обеспечивается при использовании дополнительных модифицирующих добавок.
2
2
Для достижения максимального показателя гидрофильности поверхности обработку в плазме проводят в камере с плазмой, формируемой высокочастотным генератором при удельной мощности не более 60 мВт/см не более 100 секунд и энергии ионов менее 100 эВ, что обусловлено необходимостью нивелирования тепловых эффектов при плазмообработке, которые могут существенно нивелировать преимущества модификации поверхности функциональными группами ввиду перестройки самих полимерных цепей биодеградируемого полимера ввиду превышения температуры стеклования или размягчения. Кроме того, обработка поверхности с энергией затрачиваемой на плазмообработку более 6Дж/см, которая может быть оценена как перемножение указанных времени обработки и удельной мощности, уже не приводит согласно известным данным к улучшению гидрофильности поверхности [42] и следовательно нецелесообразно. При этом ограничение по удельной мощности обусловлено отсутствием при его соблюдении, а также в сочетании с относительно небольшой степенью ионизации, легко реализуемом, например, при использовании установок с высокочастотным генератором и использовании так называемой емкостной плазмы, достаточно широко распространенных в производстве, где не используется дополнительного формирования магнитных полей для увеличения степени ионизации газа, возникновения существенных тепловых эффектов, а также излишне большого количества ионов, приходящихся на единицу площади поверхности в единицу времени, что дополнительно способствует увеличению вклада формирования функциональных групп и снижения вклада травления материала в процессе плазмообработки. Ограничение по времени обусловлено тем, что, исходя из известных данных, большая доза воздействия уже не приводит к улучшению гидрофильности, но наоборот способствует меньшей временной стабильностью, существенному снижению длины молекул приповерхностного слоя [39], что является негативным фактором. Применение же плазмы с энергией частиц менее 100 эВ обусловлено необходимостью модификации лишь приповерхностного слоя полимерного покрытия, определяющего угол смачивания водой поверхности полимера, а также ввиду того, что частицы с большей энергией будут реализовывать больший вклад в плазмообработке процессов травления, в ущерб процессам плазмо-химической функционализации поверхности с формированием полярных групп, что приведет к снижению достигаемого параметра гидрофильности поверхности и плотности функциональных групп. При этом реализовать данное требование вполне возможно, поскольку энергия ионизации, например, аргона составляет около 16 эВ.
Для обеспечения максимального значения стабильности во времени также важно использование полимера с достаточно большой молекулярной массой, поскольку малая молекулярная масса и, соответственно, длина полимерной цепи обладает меньшей температурой стеклования/размягчения и легче может быть перестроена, что в значительной степени нивелирует модификацию поверхности после плазмообработки [42]. Поэтому полимер должен иметь среднемассовую молекулярную массу не менее 40 кДа. Причем верхний предел ограничен лишь возможностью растворения полимера в используемом растворителе, а нижний указанный предел в 40 кДа следует из соображений того, что меньшая чем 40 кДа молекулярная масса (лишь в 2-4 раза меньшая молекулярная масса молекул при использовании смеси согласно примеру 3 осуществления изобретения, где осуществляется частичное использование (добавление) полимера с среднемассовой молекулярной массой около 10 кДа), уже существенно сказывается на достигаемой смачиваемости поверхности водой.
Важным для осуществления способа получения покрытия с максимальной гидрофильностью поверхности является выполнение именно совокупности всех указанных выше условий по составу раствора, молекулярной массе полимера, параметрам термообработки и плазмообработки.
Тем не менее для ускорения времени биодеградируемости, в случае если это требуется для конкретного применения, выполнение этого требования может быть соблюдено, однако в качестве биодеградируемого полимера может быть использован полимер, который можно получить путем смешивания полимера с среднемассовой молекулярной массой около 10 кДа в массовом соотношении от 1:50 до 1:4 с полимером с среднемассовой молекулярной массой около 200 кДа. Подобная смесь с одной стороны сохранит достаточную стабильность основной части полимерной структуры, а с другой стороны - позволит существенно изменить скорость биодеградируемости покрытия, что необходимо для ряда применений медицинских имплантатов. При этом, поскольку возникает деградация по параметру гидрофильности поверхности даже при нормальных условиях на воздухе, то очевидно, что увеличивается и скорость биодеградируемости покрытия, полученного с применением низкомолекулярной составляющей. Достигаемая при этом гидрофильность поверхности несколько снижена и находится при использовании указанного соотношения низкомолекулярной и выскомолекулярной составляющей полимера от 1:8 до 1:4 почти на уровне гидрофильности полимера после плазмообработки в отсутствие модифицирующей добавки, а при уменьшении доли низкомолекулярной составляющей (до величину 1:50, что очевидно приводит в итоге к случаю ее почти полного отсутствия или сколь-нибудь заметного эффекта от нее, что равносильно случаю реализации по п. 1 формулы изобретения). Однако эффект обработки поверхности в плазме за счет оптимальных параметров плазмообработки сохраняется тем не менее в течение нескольких суток, при этом появляется дополнительная возможность варьируя количество низкомолекулярной составляющей в составе полимерного материала формировать покрытия с необходимой скоростью их деградируемости, в том числе биодеградируемости. При этом нижний предел (1:50) продиктован тем что при дальнейшем уменьшении уже очевидно не будет наблюдаться эффект от такого малого добавления, а верхний предел (1:4) обусловлен необходиомостью сохранения достигаемой гидрофильности после плазмообработки на уровне сопоставимом (+/-(3-5°) по углу смачиваемости водой) с гидрофильностью полимера получаемой при плазмообработке в отсутствие модифицирующих добавок согласно описанным параметрам плазмообработки.
Причем поскольку при использовании полимеров имеется всегда некоторый разброс в молекулярной массе молекул, которые имеются в материале, причем среднеквадратическое отклонение может достигать 50% и более от среднемассовой молекулярной массы, то указанный эффект очевидно можно реализовать также при использовании соответственно смеси из низкомолекулярного полимера с среднемассовой молекулярной массой от 5 кДа до 20 кДа и второго компонента смеси, являющегося более высокомолекулярной составляющей, с среднемассовой молекулярной массой от 100 кДа до 400 кДа.
Для более наглядного изложения предлагаемого изобретением способа ниже приведены некоторые примеры реализации изобретения при использовании указанных растворителей, модифицирующих добавок и полимеров (примеры 1, 2).
Пример 1.
2
2
-6
3
Способ получения покрытия на основе биодеградируемого полимера на поверхности титанового импланта или поверхности полимерной или стеклянной подложки. Подготавливают смесь растворителей, где в качестве основного растворителя используют тетрагидрофуран. В качестве модифицирующей добавки используют бензальдегид в количестве 3,5% от массы основного растворителя. Затем в полученную смесь добавляют биодеградируемый полимер, в качестве которого выступает сополимер лактида и капролактона с среднемассовой молекулярной массой около 200 кДа с концентрацией в диапазоне от 10 мг/мл до 45 мг/мл. Далее осуществляют длительное перемешивание полученного раствора в течение 3 часов. Нанесение осуществляют, например, путем погружения в раствор и вытягивания подложки или импланта. В результате чего, формируют покрытие из полимера с модифицирующей добавкой, толщина которого составляет от около 10 нм до 500 нм в зависимости от параметров процесса и концентрации раствора. Затем, для осуществления удаления остаточного растворителя до приемлемого уровня для покрытий указанной толщины, осуществляют термообработку подложки или импланта при температуре 55-60°С в течение 10-15 минут. А затем подложку или имплант с покрытием помещают в камеру, где осуществляют обработку плазмой в среде аргона. Параметры плазмы: давление - 30 мТорр (что соответствует около 4 Па), частота ВЧ плазмо-генератора - 13,56 МГц, мощность выбирают от 10 Вт до 30 Вт, что при учете размеров камеры составляет от 20 мВт/см до 60 мВт/см, время обработки - 100 с, расход по газу - 50 стандартных кубических сантиметров в минуту (что соответствует при нормальном давлении и температуре около 0,8⋅10 м/с), причем используют плазму, где частицы не могли бы набрать энергию более 100 эВ.
Способ позволяет формировать покрытия с существенным улучшением гидрофильности - уменьшение по углу смачивания водой составляет около 5-10° в сравнении с покрытиями без модифицирующих добавок. Способ также позволяет достичь существенного увеличения времени сохранения сформированной гидрофильности поверхности. Покрытие может быть получено на поверхностях различной формы и материала.
Пример 2.
Способ получения покрытия аналогичен описанному в примере 1, однако в качестве основного растворителя используется дихлорметан. Концентрация модифицирующей добавки составляет 0,5% по массе по отношению к основному растворителю. Модифицирующей добавкой выступает ацетофенон или его смесь с бензиловым спиртом.
Способ позволяет формировать покрытия с существенным улучшением гидрофильности - уменьшение по углу смачивания водой составляет 5° и более в сравнении с покрытиями без модифицирующих добавок, причем при использовании малого количества используемой модифицирующей добавки. Покрытие может быть получено на поверхностях различной формы и материала.
Источники информации
1. Патент RU 2435613.
2. Патент US 9370381.
3. Патент RU 2313370.
4. Патент US 20100255447.
5. Патент US 20160008519.
6. Патент US 6861087.
7. Jacobs Т. et al. Plasma surface modification of polylactic acid to promote interaction with fibroblasts //Journal of Materials Science: Materials in Medicine. - 2013. - T. 24. - №. 2. - C. 469-478.
8. Lewis, R.J. Sax's Dangerous Properties of Industrial Materials. 9th ed. Volumes 1-3. New York, NY: Van Nostrand Reinhold, 1996., p.1479.
9. O'Neil, M.J. (ed.). The Merck Index - An Encyclopedia of Chemicals, Drags, and Biologicals. Whitehouse Station, NJ: Merck and Co., Inc., 2006., p. 52.
10. P 1.2.3156-13 Оценка токсичности и опасности химических веществ и их смесей для здоровья человека/ Федеральная служба по надзору в сфере зашиты прав потребителей и благополучия человека. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2014 год.
11. Патент JP 4284187.
12. Патент US 8927616.
13. Патент US 8927283.
14. Патент US 7217769.
15. Патент US 8029562.
16. Патент KR 101874321.
17. Harada М. Pharmacological studies of gardeniae fructus. I. Effect of geniposide and genipin on the biliary excretion, the gastric juice secretion, and the gastric contraction, and other pharmacological actions // Yakugaku Zasshi. - 1974. - T. 94. - C. 157-162.
18. Патент RU 2709091 - прототип.
19. Abdal-hay A., Hwang M. G., Lim J. K. In vitro bioactivity of titanium implants coated with bicomponent hybrid biodegradable polymers //Journal of sol-gel science and technology. - 2012. - T. 64. - №. 3. - C. 756-764.
20. Rudolph A. et al. Surface modification of biodegradable polymers towards better biocompatibility and lower thrombogenicity //PloS one. - 2015. - T. 10. - №. 12. - C. e0142075.
21. Tverdokhlebov S. I. et al. Modification of polylactic acid surface using RF plasma discharge with sputter deposition of a hydroxyapatite target for increased biocompatibility //Applied Surface Science. - 2015. - T. 329. - C. 32-39.
22. Friedrich Bruhne; Elaine Wright (2007), "Benzyl Alcohol", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (7th ed.), Wiley, pp. 7-8.
23. European Medicines Agency (EMEA), The European Agency for the Evaluation of Medicinal Products, Veterinary Medicines Evaluation Unit, Committee for Veterinary Medicinal Products; Benzyl Alcohol, Summary Report (1997). Available from, as of July 8, 2008.
24. Clayton, G. D. and F. E. Clayton (eds.). Patty's Industrial Hygiene and Toxicology: Volume 2A, 2B, 2C: Toxicology. 3rd ed. New York: John Wiley Sons, 1981-1982., p. 4642.
25. DHHS/NTP; Toxicology and Carcinogenesis Studies of Benzyl Acetate in F344/N Rats and B6C3F1 Mice (Gavage Studies) p. 18 (1986) Technical Rpt Series No. 250 NIH Pub No. 86-2506.
26. Jenner P. M. et al. Foodflavourings and compounds of related structure I. Acute oral toxicity // Food and Cosmetics Toxicology. - 1964. - T. 2. - C. 327-343.
27. Siegel H., Eggersdorfer M. Ketones //Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. -2000.
28. Lewis, R.J. Sr. (ed) Sax's Dangerous Properties of Industrial Materials. 11th Edition. Wiley-Interscience, Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. 2004., p. 3396.
29. Verschueren, K. Handbook of Environmental Data of Organic Chemicals. 2nd ed. New York, NY: Van Nostrand Reinhold Co., 1983., p. 849.
30. Abbasi N. et al. The effects of plasma treated electrospun nanofibrous poly (ε-caprolactone) scaffolds with different orientations on mouse embryonic stem cell proliferation // Cell Journal (Yakhteh). - 2014. - T. 16. - №. 3. - C. 245.
31. Mligiliche N. L. et al. Poly lactic acid-caprolactone copolymer tube with a denatured skeletal muscle segment inside as a guide for peripheral nerve regeneration: A morphological and electrophysiological evaluation of the regenerated nerves // Anatomical science international. - 2003. - T. 78. - №. 3. - C. 156.
32. Qin X., Wu D. Effect of different solvents on poly (caprolactone)(PCL) electrospun nonwoven membranes // Journal of thermal analysis and calorimetry. - 2011. - T. 107. - №. 3. - C. 1007-1013.
33. Janvikul W. et al. Effects of surface topography, hydrophilicity and chemistry of surface-treated PCL scaffolds on chondrocyte infiltration and ECM production // Procedia Engineering. - 2013. - T. 59. - C. 158-165.
34. Janvikul W. et al. Effects of surface topography, hydrophilicity and chemistry of surface-treated PCL scaffolds on chondrocyte infiltration and ECM production // Procedia Engineering. - 2013. - T. 59. - C. 158-165.
35. Woodruff M. A., Hutmacher D. W. The return of a forgotten polymer-Polycaprolactone in the 21st century // Progress in polymer science. - 2010. - T. 35. - №. 10. - C. 1217-1256.
36. Haynes, W.M. (ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 94th Edition. CRC Press LLC, Boca Raton: FL 2013-2014, p. 3-44.
37. Budavari, S. (ed.). The Merck Index - Encyclopedia of Chemicals, Drugs and Biologicals. Rahway, NJ: Merck and Co., Inc., 1989., p. 1147; Lide, D.R. (ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 76th ed. Boca Raton, FL: CRC Press Inc., 1995-1996., p. 3-9.
38. Weast, R.C. (ed.). Handbook of Chemistry and Physics. 57th ed. Cleveland: CRC Press Inc., 1976., p. C - 86.
39. Inagaki N. et al. Surface modification and degradation of poly (lactic acid) films by Ar-plasma // Journal of adhesion science and technology. - 2002. - T. 16. - №. 8. - C. 1041-1054.
40. Gonzalez E. et al. Remote atmospheric-pressure plasma activation of the surfaces of polyethylene terephthalate and polyethylene naphthalate // Langmuir. - 2008. - T. 24. - №. 21. - C. 12636-12643.
41. Tham C. Y. et al. Surface Modification of Poly (lactic acid)(PLA) via Alkaline Hydrolysis Degradation // Advanced Materials Research. - 2014. - T. 970.
42. Slepi6ka P. et al. Surface modification of biopolymers by argon plasma and thermal treatment //Plasma Processes and Polymers. - 2012. - T. 9. - №. 2. - C. 197-206.