СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОРИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF PROCESSING POROUS POLYMER MATERIALS

Изобретение предназначено для использования в биомедицине, клеточных технологиях, в частности для изготовления матриксов - носителей клеток, имплантируемых в организм человека для восстановления функционирования пораженного органа.
Конструирование и создание имплантатов на основе объемных пористых матриксов из биодеградируемых полимеров, которые характеризуются высокой биологической безопасностью, а также возможностью контролировать режим их биорезорбции, является одним из важных направлений в биотехнологии.
Объемный полимерный матрикс имеет структуру хаотической трехмерной сетки из тонких полимерных волокон. Вещество волокон занимает 5-10% объема матрикса, остальной объем заполнен газом. Сетка образует систему взаимосвязанных ячеек разного размера. Ячейки с размером в десятки и сотни микрон, многократно превышающим размеры имплантируемых клеток, необходимы для инфильтрации клеток в объем матрикса. Наличие системы ячеек меньшего, микронного и субмикронного, размера необходимо для осуществления подвода питательных веществ и выведения продуктов жизнедеятельности клеток. При этом пространство матрикса, занимаемое твердой фазой, и пустое пространство внутри матрикса односвязны. Это означает, что в объеме матрикса нет замкнутых пустот.
Имплантатом становится матрикс, в который введена необходимая клеточная культура, и в котором она развивается. Трудность перевода полимерного матрикса в имплантат состоит в том, что фактически полимером является чужеродный для клеток и живого организма. Прежде всего, из-за низкой поверхностной энергии, большинство полимеров, применяемых для изготовления матриксов, гидрофобны, что обусловливает их плохую смачиваемость. Сильная гидрофобность - нежелательный фактор, снижающий жизнеспособность клеток, инфильтрованных в матрикс. Для преодоления проблемы на поверхность полимера наносят гидрофильные покрытия или проводят специальную обработку поверхности.
Известен способ нанесения гидрофильных покрытий на поверхность полимерных пленок путем ее обработки неравновесной газоразрядной плазмой. Плазменная обработка изменяет поверхностную энергию полимера и, как следствие, приводит к улучшению гидрофильности и адгезии поверхности (Василец В.Н., Севастьянов В.И. Модифицирование полимерных биоматериалов плазмой газового разряда и вакуумным ультрафиолетовым излучением. В книге: «Энциклопедия низкотемпературной плазмы», Серия Б, т.XI-5 «Прикладная химия плазмы», раздел III «Взаимодействие плазмы с поверхностями органической природы», Москва, изд-во Янус-К, стр.160-172, 2006 г; Василец В.И., Кузнецов А.В., Севастьянов В.И. Регулирование биологических свойств полимерных материалов медицинского назначения с использованием плазмы газового разряда и вакуумного ультрафиолетового излучения. Химия высоких энергий, 2006, т.40, №2, с.105-111; Севастьянов В.И., Василец В.Н. Плазмохимическое модифицирование фторуглеродных полимеров для создания новых гемосовместимых материалов. Российский химический журнал, 2008, т.52, №3, стр.72-80).
2
2
2
3
6
2
4
4
С этой целью используются разряды, создающие плазму с энергичными электронами, при низкой энергии ионной и нейтральной компоненты. Разряд должен взаимодействовать с большой поверхностью обрабатываемой среды, то есть быть пространственно однородным, не каналированным. К таким разрядам относится, например, диэлектрический барьерный разряд атмосферного давления (ДБР). Обрабатываемая полимерная пленка вводится в междуэлектродный зазор разряда. В плазме ДБР присутствуют разнообразные активные частицы, которые могут реагировать с поверхностью полимера. Глубины проникновения всех активных частиц в материал не превышают нескольких микрометров. Толщина получаемых покрытий может изменяться от нескольких микрон до сотых их долей. Применение в качестве плазмообразующих газов воздуха, О, N, CO, Ar, NH, приводит к улучшению гидрофильности. Применение фтор-, водород- и кремнийсодержащих газов и паров (SF, CF, CH, силоксаны) приводит к образованию на поверхности новых полимерных структур. Поверхность приобретает либо гидрофобность (в случае обработки во фторсодержащих газах), либо гидрофильность.
Основной недостаток этого способа состоит в том, что в случае пористого объемного матрикса плазменное нанесение покрытий на поверхность волокон, образующих его внутреннюю структуру, затруднено. Причина в том, что длина каналов в матриксе составляет миллиметры, а поперечные размеры канала - микроны. Газоразрядная плазма, эффективная при обработке открытых поверхностей полимеров, не проникает в такие каналы.
За прототип выбран СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ СМАЧИВАЕМОСТИ ПОРИСТЫХ ТЕЛ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (патент РФ №2185894, оп. 27.07.2002, МПК B05D 3/06, G01N 13/00). Согласно способу пористое тело, находящееся в корпусе для обработки, подвергают воздействию послеразрядной неионной удаленной плазмой азота, полученной разрядом, возбуждаемым электромагнитной волной в газообразном азоте, что позволяет обрабатывать пористое тело объемно, целиком, так как незаряженные продукты диссоциации азота проникают в пористое тело на глубину порядка 10 см. Пористое тело имеет пористость в пределах от 1 до 50 мкм. Обработка проводится при температуре окружающей среды. Обрабатываемый материал - полиэтилен, полипропилен, изделия из фриттированных порошков. Недостатком способа является то, что обработка с целью повышения смачиваемости идет только продуктами диссоциации азота, т.е. идет изменение только одной характеристики. Для обработки биоматериалов необходимо изменять не только одну характеристику материала - смачиваемость, но и ряд других физико-химических и биологических характеристик поверхности волокон, образующих вещество пористого полимерного материала - матрикса. Т.е. недостатком указанного способа является невозможность непосредственного воздействия электронами и ионами плазмы на поверхность волокон внутренней структуры пористых сред.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является создание технологичного и простого способа обработки внутренних поверхностей пористых полимерных материалов, направленной на регулирование физико-химических свойств поверхности волокон, в том числе ее гидрофильности гидрофобности.
Для этого предложен способ обработки пористых полимерных материалов, заключающийся в воздействии на материал плазменного разряда в объеме пористого полимерного материала в атмосфере газа при атмосферном давлении, при этом помещают пористый материал между электродами, создают в нем электрическое поле с напряженностью меньшей чем пробойная напряженность в газе заданного молекулярного состава при атмосферном давлении, с одновременным воздействием на материал частотно-импульсного пучка электронов с энергией 1-5 МэВ.
При этом пористость материала выше 80%.
При этом используют газы, не вступающие при нормальных условиях в химические реакции с полимерным материалом.
При этом температура обработки не превышает температуру размягчения полимера.
При этом длительность импульсов электронного пучка составляет 1-10 мкс.
2
При этом импульсный ток пучка 0,01-0,3 А, импульсная плотность тока пучка 0,01-0,3 А/см, частота следования импульсов 1-100 Гц.
При этом полная радиационная доза материала полимера от электронного пучка не должна превышать 20 кГр.
Электроны в пористом, гетерогенном, веществе материала производят два действия:
1) В объеме газовой фазы, заполняющей пространство между волокнами, и обладающей сравнительно малой плотностью, электронный пучок тормозится сравнительно слабо, но при этом он производит объемную первичную ионизацию газа, заполняющего ячейки. Если при этом на материал наложено электрическое поле достаточной напряженности, то во внутренней структуре материала возникает объемный, пространственно однородный несамостоятельный электрический разряд. Разряд существует, пока пространственную трехмерную сетку материала пронизывает электронный пучок. При этом разряд пространственно однороден, не образует узких токовых каналов. Образующаяся газоразрядная плазма действует на поверхность твердотельной сетки внутри материала, осуществляя ее модификацию в заданном направлении, например увеличивая гидрофильность или повышая биосовместимость материала с соответствующими биологическими объектами. Электроны газоразрядной плазмы не проникают вглубь вещества полимера и не изменяют его объемных физико-химических и биологических характеристик. Но они изменяют молекулярную структуру поверхности волокон, образующих пористый материал, как и в прототипе.
2) В объеме полимерных волокон, твердой фазы, плотность которой на три порядка больше плотности газовой фазы, электроны пучка тормозятся существенно сильнее, производя в веществе полимера различные радиационно-химические процессы, которые приводят к изменению молекулярного состава и структуры полимера. Полная поглощенная полимером радиационная доза от электронного пучка не должна достигать предела, при котором в веществе полимера, образующего матрикс, наступают необратимые изменения физико-химических и биохимических характеристик. Это ограничивает допустимую дозу значением ~20 кГр. Названное значение дозы известно из опыта радиационной стерилизации биомедицинских препаратов и материалов, в том числе и для полиоксибутирата/полиоксивалериата - биорезорбируемого полимера, из которого, в частности, приготавливается пористый материал - матрикс.
Несамостоятельный объемный разряд, поддерживаемый электронным пучком в однородном газе, известен. Химическая эффективность разряда, поддерживаемого электронным пучком в однородном газе, продемонстрирована, например, в работе Ю.Н.Новоселов, В.В.Рыжов, А.И.Суслов. // Письма в ЖТФ, 1998. Т.24. №19. С.41.
Новизна нашего предложения состоит в том, что такой разряд возбуждается в гетерогенной двухфазной среде - пористом полимерном материале. В этой среде твердая фаза существенно влияет на весь разряд, поглощая заметную часть электронов плазмы разряда. Тем не менее такой разряд существует, если в среде нет сплошных перегородок, образующих замкнутые поры, и степень пористости среды достаточно высока - выше 80%.
На фигуре 1 показана принципиальная схема устройства для осуществления указанного способа, где 1 - высоковольтный электрод, 2 - пористый полимер, 3 - сетчатый заземленный электрод, 4 - электронный пучок, 5 - ИВН - источник высокого напряжения, 6 - С - разрядная емкость.
На фигуре 2 показаны осциллограммы токов электронного пучка и разрядов при обработке пористого материала, где 1 - ток заземленного электрода, 2 - мощность СВЧ-магнетрона, возбуждающего резонатор ускорителя, 3 - ток высоковольтного электрода.
В опытах использовались матриксы из полиоксибутирата/полиоксивалериата (ПОБ/ПОВ), с пористостью ε~0,95, имеющие толщину 3-5 мм. Типичные осциллограммы разрядных токов показаны на фигуре 2.
пучка
имп
Блок «А» фигуры 2 демонстрирует токи электродов, возбуждаемые электронным пучком. Значение тока высоковольтного электрода может считаться значением тока электронного пучка, дошедшего до него I≈30 мА, длительность импульса t≈3 мкс.
заземл
разр
пучка
Блок «Б» демонстрирует токи электродов, возбуждаемые разрядом, который поддерживается электронным пучком в межэлектродном зазоре в отсутствие матрикса. Абсолютное значение тока заземленного электрода складывается из тока пучка и тока разряда I=I+I≈1,47 А
разр
пучка
разр
заземл
вв
Абсолютное значение тока высоковольтного электрода есть разница между током разряда и током пучка =I-I≈1,0 А. Складывая оба тока, получим I~0,5(I+I)~1,4 А. Это примерно в 45 раз превышает ток пучка.
заземл
разр
пучка
Блок «В» демонстрирует токи электродов, возбуждаемые разрядом, который поддерживается электронным пучком в межэлектродном зазоре в присутствии матрикса. Абсолютное значение тока заземленного электрода складывается из тока пучка и тока разряда I=I+I≈1,25 А
разр
пучка
разр
заземл
вв
Абсолютное значение тока высоковольтного электрода есть разница между током разряда и током пучка =I-I≈1,31 А. Складывая оба тока, получим I~0,5(I+I)~1,28 А. Это примерно в 43 раза превышает ток пучка.
Импульсная мощность, рассеиваемая в разряде, составляет 6,7 кВт, энерговыделение ~20 мДж/имп.
2
2
МэВ
МэВ
кр
кр
Оценка дозы излучения, оставляемой в матриксе электронным пучком D, Дж/г=кДж/кг=кГр может быть получена из следующих соображений. Пусть пучок имеет поперечное сечение S=2 см, тогда масса вещества, облучаемого пучком, будет M=S(λρ)=3,2 г. Тогда доза D=NЄ/M, где N - число импульсов пучка, Є - энергия пучка в импульсе, Дж. В нашем случае произведение (λρ) связано с энергией электронов в пучке, так что (λρ)~0,5Е-0,1, где Е=3,5 МэВ - энергия электронов в пучке. Отсюда имеем (λρ)~1,6 г/см. Значение Є~0,3 Дж/имп. Как уже говорилось, допустимое значение дозы D не может превышать D=20 кГр. Отсюда имеем для предельно допустимого числа импульсов: N<DМ/Є~200 импульсов.
2
2
2
3
6
2
4
4
Как и в других разрядах, в плазме несамостоятельного разряда, поддерживаемого электронным пучком, присутствуют разнообразные активные частицы, которые могут реагировать с поверхностью полимера. Глубины проникновения всех активных частиц в материал не превышают нескольких микрометров. Толщина получаемых покрытий может изменяться от нескольких микрон до сотых их долей. Применение в качестве плазмообразующих газов воздуха, O, N, CO, Ar, NH, приводит к улучшению гидрофильности. Применение фтор-, водород- и кремнийсодержащих газов и паров (SF, CF, СН, силоксаны) приводит к образованию на поверхности новых полимерных структур. Поверхность приобретает либо гидрофобность (в случае обработки во фторсодержащих газах), либо гидрофильность.
Таким образом, с помощью несамостоятельного разряда, поддерживаемого электронным пучком в гетерогенной среде, можно осуществлять направленное модифицирование физико-химических характеристик поверхностей волокон, образующих тонкую структуру полимерного материала - пористого матрикса.