Полимерные биоматериалы

Под полимерными биоматериалами обычно понимают полимерные материалы и изделия из них, которые исполь­зуются в медицине или биотехнологии. Такие материалы часто получают путем целенаправленного модифицирова­ния хорошо известных полимеров. За последние годы значи­тельно возросли ассортимент, масштабы производства и значение биоматериалов.

Радиационно-химическая технология в настоящее время стала одним из наиболее эффективных способов получения полимер­ных биоматериалов. Работы по использованию радиационно-химических методов для синтеза полимерных биомате­риалов проводятся в следующих направлениях: радиационное модифицирование различных полимеров и изделий из них с целью получения гемосовместимых (длительно работающих в контакте с кровью) полимеров, полимерных сорбентов, протезов сосудов и т.д.; иммобилизация различных биологически активных веществ (БАВ) (ферменты, лекарства и т.д.) в полимерные матрицы с использованием радиационной полимеризации; радиационно-химический синтез полимеров-носителей лекарственных препаратов; радиационное сшивание полимеров с целью получения механически прочных гидрогелей (носители БАВ, перевязочные материалы глазные линзы и т.д.). Преимуществом радиационно-химических методов полу­чения полимерных биоматериалов по сравнению с тради­ционными является чистота материалов (нет необходимости добавлять дополнительные ингредиенты (инициаторы полимеризации) при синтезе), возможность проведения процессов при пониженных темпе­ратурах и легкость регулирования скорости процессов путем изменения мощности дозы излучения. Достоинством радиа­ционно-химических методов является также то, что био­материалы в некоторых случаях можно стерилизовать на тех же источниках ионизирующих излучений, которые уже были использованы для их получения. Необходимо отме­тить, что в большинстве случаев для получения полимерных биоматериалов требуются небольшие дозы излучения, как правило, не превышающие 30 кГр, что позволяет использо­вать источники излучений невысокой мощности.

Недостатком радиационно-химических методов является необходимость применения, как правило, сравнительно до­рогостоящих и сложных в эксплуатации источников γ-излучения и электронных ускорителей.

1. Получение гемосовместимых полимерных материалов. Получение гемосовместимых полимерных материалов - весьма сложная проблема. При контакте полимеров кровью инициируются биохимические реакции, вызывающие изменение физиологических функций крови, «запускается» свертывающая система крови с последующим тромбообразованием на поверхности полимера. Важными факторами, повышающими гемосовместимость полимеров, являются такие их свойства, как минимальная способность к адгезии и агрегации тромбоцитов, отсутствие активации контактных факторов свертывания крови, участие в реакции лизиса образующегося тромба и селективная способность к адсорбции белков плазмы крови, в особенности альбумина. Согласно современным представлениям, первой стадией при контакте полимера с кровью является быстрая сорбция белков из плазмы крови. Природа и конформационное состояние белка определяют последующие биохимические реакции.

Проблемы сорбции белков на различных полимерных поверхностях рассматривались в многочисленных исследо­ваниях. К сожалению, в настоящее время уровень наших знаний не позволяет достаточно эффек­тивно прогнозировать природу и свойства полимерной поверхности, полностью удовлетворяющей требованию гемосовместимости.

Из изложенного ясно, что для получения гемосовместимых материалов поверхность полимеров необходимо моди­фицировать. С этой целью:

1. Создают полимеры с поверхностями, обладающими пониженной адсорбционной способностью по отношению к белкам и близкими по своей природе к естественной среде организма. В основном это гидрогелевые поверхности

2. Создают полимерные материалы с определенной дом­енной структурой поверхности (полиуретаны).

3. Создают углеродные полимерные материалы (поли­ацетилены).

4. Создают полимеры, поверхность в которых по своей природе моделирует антикоагулянты крови), что достигается введением в поверхностные слои полимеров сульфо- и кар­боксильных групп, созданием отрицательного заряда на поверхности полимеров). Чаще всего стараются получить гепариноподобную поверхность, так как широко распростра­ненный метод получения гемосовместимых материалов путем введения гепарина имеет ряд недостатков, обусловлен­ных частичной утратой активности гепарина при ковалентной иммобилизации, его слабой антикомплементной активностью и биодеструкцией.

5. Вводят в поверхностные гидрогелевые слои физиоло­гически активные вещества (антикоагулянты крови, фер­менты и т.д.), взаимо-действующие с компонентами крови и приостанавливающие процесс тромбообразования.

При выборе метода модифицирования поверхности полимеров необходимо учитывать, что основные физико-механические показатели исходного полимера при модифи­цировании не должны существенно измениться. Одним из наиболее эффективных методов модифицирования полимеров является радиацион­ная прививочная полимеризация.

Достоинствами ее как метода модифицирова­ния полимерных материалов с целью повышения их гемо­совместимости являются, во-первых, высокая универсаль­ность, позволяющая в широком диапазоне температур моди­фицировать практически любые полимерные материалы (шовный материал, катетеры, трубки, таблетки, порошки, трансплантаты и т.д.); во-вторых, возможность создания на поверхности полимеров модифицированных слоев различ­ной толщины. Толщина слоя зависит от условий проведения прививочной полимеризации — мощности дозы, выбора растворителя для мономера и т.д. При этом модифицированный слой прочно связан с подложкой и не отмывается при контакте со средой живого организма.

Все это способствует достаточно широкому использова­нию радиационной прививочной полимеризации для реше­ния проблем, связанных с повышением гемосовместимости различных полимерных материалов и изделий из них. Основ­ной задачей таких исследований является создание полимеров с функционализированной поверхностью, опре­деленными гидрофильно-гидрофобными свойствами и отрицательным зарядом на поверхности. Значительное количество работ выполнено по модифицированию различ­ных полимеров с использованием высокогидрофильных мономеров, таких как N-винилпирролидон, 2-гидроксиэтил-метакрилат, акриламид и его производные. В ряде исследований для модификации брали достаточно сложные сополимеры. Так, для производства протезов сосу­дов использовали, в основном, полиуретаны, полиэфиры и натуральный каучук.

Радиационную прививочную полимери­зацию в большинстве случаев осуществляли прямым методом из водно-спиртовых растворов при небольших дозах облучения. В некоторых случаях, особенно при при­вивке акриламида, применяли метод с предоблучением.

В результате проведенных работ получены разнообраз­ные модифицированные полимерные материалы с гидрогелевыми поверхностями. Эти материалы достаточно прочны, мягки и обладают высокой набухаемостью в воде. Биомакромолекулы в таких материалах характеризуются повышенной диффузией. Полимерные гидрогели, получен­ные радиационно-химическими методами, испытаны на гемосовместимость в экспериментах in vitro и in vivo на обезьянах, овцах и собаках. В обобщенном виде испытания на гемосовместимость радиационно-привитых полимерных гидрогелей показали следующее: с повышением содержания воды от 15 до 85% происходит уменьшение сорбции белков и повышается скорость десорбции, на гидрогелях имеет место тромбообразование, но связь тромбов с гидрогелевой поверхностью заметно ослаблена по сравнению с их связью с немодифицированными полимерами. Существенно важ­ным является значительное понижение поверхностного натя­жения между гидрогелем и водным раствором. Гидрогелевое покрытие на полимерах должно быть приготовлено из очень чистых мономеров. Так, незначительная примесь метакриловой кислоты б 2-гидроксиэтилметакрилате значительно ухудшает качество гидрогелевого покрытия и его гемосовместимые свойства.

Интересные результаты были получены при изучении радиационно привитых на полиэтилен (ПЭ) сополимеров 2-гидроксиэтилметакрилата (гидрофильный мономер) с этилметакрилатом (гидрофобный мономер). При низком содержании воды (~10%) указанные привитые сополимеры характеризовались неожиданно низкими показателями адсорбции тромбоцитов, что было обусловлено не содержа­нием воды, а составом сополимера. При более высоком содержании воды адсорбция тромбоцитов обратно пропор­циональна содержанию воды. Очевидно, что состав сополи­мера и состояние воды в нем имеют важное значение. Поверхность радиационно-привитых сополимеров очень неоднородна (имеются бугры, выступы и т.д.), толщина модифицированного слоя, как правило, 15-45 мкм. Предполагается, что для повышения гемосов­местимости необходимо определенное сочетание на поверх­ности гидрофильных и гидрофобных участков.

2. Использование радиационного сшивания для получения полимер-ных биоматериалов. В настоящее время существенно возрос интерес к получению полимерных биоматериалов путем радиационного сшива­ния. Этот метод наиболее часто применяется для получения гидрогелей, главным образом на основе полиакриламида, поливинилового спирта, полиэтиленоксида и поли(N-винилпирролидона). Преимуществом радиационного сши­вания является сравнительная простота выполнения, возможность широкого регулирования густоты сетки путем подбора условий облучения (мощность дозы, доза), возможность использования пониженных температур, чистота получаемого продукта (отсутствие инициаторов) и одновре­менная стерилизация. Радиационно-сшитые гидрогели ис­пользуются как носители БАВ (ферменты, лекарства и т.д.) в качестве имплантантов, протезов, глазных линз, медицин­ских мембран, перевязочных материалов и биологических сред для изучения и культивирования микроорганизмов.

На основе радиационно-сшитого поливинилового спирта получены биомембраны для селективного транспорта макромолекул, а также мате­риалы, использующиеся в качестве суставных хрящей. Показана перспективность использование гидрогелей поливинило­вого спирта в качестве перевязочного материала и отмечено его преимущество перед марлей: гомогенная адгезия по всей ране и легкое удаление без повреждения кожи.

Гидрогели на основе поли(N-винилпирролидона) обла­дают высокой гидрофильностью и хорошей биосовмести­мостью и могут использоваться в качестве материала для лечения ожоговых ран и трофических язв. Данные материалы продаются в Польше под торговыми марками “HDR” и “AQUA-Gel”. Разработана терапевтическая система на основе геля поли(N-винилпирролидона) для использования в акушерской практике для ускорения родов и производства абортов. В этом случае гель представляет собой тонкий стержень, содержащий простагландин.

Технология получения гидрогелей для перевязочных материалов в настоящее время достаточно подробно разра­ботана, и они прошли широкие клинические испытания. Важно, что есть возможность получать гели для перевязок, содержащие лекарственные препараты (например, хлорамфени-кол). При больших ранениях такой гидрогель существенно эффективней обычных перевязочных материа­лов.

В медицине применяются покры­тия силиконового каучука коллагеном с последующим радиационным сшиванием и стерилизацией. Другим при­родным продуктом, который используется для получения биоматериалов, является желатин. Изучен радиолиз желатины, выявлены условия образования пространствен­ных структур при облучении ее растворов. Предложено использовать радиационно-сшитую композицию поливини­лового спирта с желатином в качестве перевязочного мате­риала.

Радиационное сшивание использовано для изготовления медицинских изделий из полисилоксанов: биологически инертных пористых шнуров, шприцованных трубок, капил­ляров и разных имплантантов. При радиационном сшивании полидиметилсилоксана в особочистых условиях существенно повышается его гемосовместимость. Радиационносшитый поливинилметил-силоксан использован для изготовления тонких мембран для получения лекарственных препаратов (например, левоноргистрел).

Радиационное сшивание транс-1,4-полиизопрена исполь­зовано для создания термоусадочных материалов для связы­вания крупных кровеносных сосудов. Материалы прошли широкие испытания in vitro и in vivo (на собаках). Радиационное модифицирование позволяет улучшить свой­ства медицинских протезов на основе полиолефинов. С использованием радиационного сшивания получены также полимерные биоматериалы, обладающие повышенной адге­зией к коже человека.

В Израиле налажен выпуск синтетического перевязочного материала, получаемого путем радиационной прививки гидрофильных мономеров на полиуретан. Материал водоне­проницаем, прозрачен, хорошо прикрепляется к коже и пропускает лекарства. Материал выпускается под назва­нием «Омидерм».

Разработаны методы получения искусственной роговой оболочки и контактных линз с высо­кой набухаемостью в воде на основе радиационно-сшитого поливинилового спирта с добавкой хондроитинсульфата натрия. Для существенного повышения проницаемости контактных линз по кислороду предложено облучать их ускоренными тяжелыми ионами массой 2-100 а.е.м. С использованием радиационной полиме­ризации созданы гидро-гелевые материалы для мягких кон­тактных линз. Эти материалы производятся в КНР.

Для создания офтальмологических материалов нашел применение радиационно-сшитый коллаген, выделенный из склеры глаза животных. Этот материал использован для создания временных аллодренажей при антиглаукоматозных операциях.

Несомненно, что в ближайшие годы можно ожидать появления на рынке новых полимерных биоматериалов, полученных с использованием методов радиационной полимеризации.

3. Получение полимерных имплантантов. Технические приемы и методы, которые используются в радиационной полимеризации могут быть применены для получения различного рода имплантан­тов, главным образом для лечения пораженных участков кожи, а также для создания протезов. Разработаны методы получения имплантантов коллагена путем облучения смеси мономеров или полимеров с коллагеном. Имплан­танты хорошо совместимы с кровью и не вызывают воспале­ний. Имплантанты применяются в хирургии и могут использоваться как субстраты в биотехнологии. Изучены протезы на основе полиэфируретана с радиационно модифи­цированной внутренней поверхностью. Модифицирование осуществлялось путем радиационной прививки 2-гидрокси-метилакрилата или акриламида на внутреннюю поверхность трубок. Протезы изучались in vivo. Исследованы гистологи­ческие и механические свойства протезов. Установлена их повышенная тромборезистентность. Разработан метод модифицирования наполнителей для полимеров, используе­мых в зубоврачебной технике. Наполнители на основе стеклянных или кварцевых волокон модифицированы радиа­ционной прививкой акриловой кислоты из паровой фазы. Подробно изучены физико-механические свойства смол, содержащих различное количество модифицированного наполнителя. Отмечены преимущества используемого моди­фицированного наполнителя по сравнению с наполнителем, модифицированным силанами. С использованием облуче­ния смесей глинозема с акриловой кислотой созданы поли­мерно-керамические материалы для стоматологии. С помощью радиационной прививочной полимеризации созданы имплантанты для лечения кожи на пораженных ожогом участках человеческого тела. Для этой цели обычно используют силиконовый каучук, модифицирован­ный прививкой гидрофильных мономеров или модифициро­ванный вулканизованный натуральный каучук. С использованием радиационной технологии создан метод гидрофилизации силиконовых контактных глазных линз. В результате гидрофилизации краевой угол снижается с 150° до 20°, а эффект гидрофильности сохраняется длительное время. Радиационно-модифицированные полимеры использованы для инициирования роста различных клеток

4. Иммобилизация лекарственных препаратов. В области использования радиационной полимеризации для иммобилизации лекарственных веществ наибольшие успехи достигнуты при иммобилизации противоопухолевых соста­вов в полимерные матрицы. В качестве противоопухолевых веществ используются адриамицин, митомицин-С и 5-фторурацил. В ряде случаев лечение иммобилизованными противоопухолевыми препаратами сочетается с гормонотерапией. Иммобилизованные противоопухолевые вещества, как правило, используются в виде полимерных таблеток или игл, которые вводятся в опухоль. Применение иммобилизо­ванных противоопухолевых препаратов имеет следующие преимущества по сравнению с их введением в виде инъекций или орально: небольшая концентрация лекарственных пре­паратов в крови, лекарство распределяется непосредственно в небольшой области от введенного препарата. При этом имеет место некроз раковых клеток в пределах 0.5-1 см² около образца, а диффузия противоопу­холевых препаратов прекращается в некрозном слое. Это сводит к минимуму побочные эффекты от применения лекарств. Дли­тельность использования иммобилизованных противоопу­холевых препаратов - несколько месяцев. При этом скорость выделения лекарств не изменяется. Такие препараты прошли широкие испытания во многих клиниках Японии.

Для иммобилизации противоопухолевых препаратов обычно используют различные сополимеры и композиции полиэтиленгликольметакрилатов с различными полимерами (полистирол, поливинилформаль, полиэтиленгликоль, полиметилметакрилат, полиэтиленоксид). Под­черкивается, что облучение необходимо проводить в бес­кислородной среде, а доза не должна превышать 10 кГр, в противном случае активность противоопухолевых препара­тов существенно снижается

Скорость выделения лекарств регулируют введением в полимерную матрицу порообразующего агента или адсорбента (например, активи­рованного угля).

Технология использования иммобилизован­ных противоопухолевых препаратов может быть улучшена за счет варьирования гидрофильно-гидрофобных свойств полимерной матрицы, а также использования биодеградируемых полимеров (полипептиды или полилактиды).

В Пастеровском институте (Париж) в рамках программы Международного агенства по атомной энергии (МАГАТЭ) проведены исследования с иммобилизованными моноклональными антителами. Иммобилизация последних осуществлена путем низкотемпературной полимеризации 2-гидроксиэтил-метакрилата. Чувствительность реакций иммобилизованного антитела с антигеном зависит от выбора мономера и его концентрации для создания пористой среды. Важной проблемой является минимизация неспецифических реакций полимерного носителя с антиге­ном. Для этого необходимо увеличивать гидрофобность полимерной матрицы. Иммобилизованные препараты обычно изготавливаются в виде микросфер или микрокап­сул. Для иммобилизации антител используются также микросферы, получаемые полимеризацией акролеина или его сополимеры с 2-гидроксиэтилметакрилатом или метакриловой кислотой.

Преимуществом радиационной полимеризации для иммобилизации антител является достаточно высокая чистота получаемого продукта. Эти препараты можно использовать для иммунологического анализа.

Проведены исследования по иммобилизации антагониста каль­ция в предварительно полимеризованный гель поли (2-гидроксиэтилметакрилата). Путем радиационного сшива­ния геля и добавок метилметакрилата и N-винилпирролидона можно широко варьировать скорость выделения лекарства.

Исследована иммобилизация гидрокортизона в гели, полученные радиационной полимеризацией акриловой кислоты. Скорость выделения регулируется дозой облуче­ния и обработкой гелей ацетатом цинка.

5. Иммобилизация компонентов крови. Одной из актуальнейших проблем в настоящее время является создание искусственных кровезаменителей, которые могли бы длительное время храниться при обычных условиях не требуя сложной и дорогой аппаратуры. Одним из наиболее перспективных направлений является иммобилизация различных компонентов крови в полимерные композиции с использованием прежде всего радиационных методов полимеризации.

Так гемоглобин был иммобилизован в полимерную матрицу из поли(2-гидроксиэтилметакрилата) с использованием радиа­ционной низкотемпера-турной полимеризации. Особое внимание было уделено выбору оптимальных условий иммо­билизации для защиты гемоглобина. Гемоглобин удобен для изучения состояния иммобилизованной молекулы в поли­мерной матрице, так как он имеет характерное оптическое поглощение. Гемоглобин в мембране подвергался обратимой оксигенации, которая имеет почти то же самое значение, что и в нативном гемоглобине. Описан способ получения полу-синтетической крови на основе иммобилизо­ванного карбоксигемоглобина.

В работах для иммобилизации гемоглобина использована радиационная полимеризация фосфолипидов. Фосфолипиды содержали две длинные полимеризуемые октадекадиенильные группы. Искусственные красные кровя­ные клетки были получены путем капсулирования гемогло­бина с использованием радиационной полимеризации бислойных фосфолипидов — липосом. Искусственные кро­вяные клетки оказались механически стабильными, легко выдерживали замораживание. Кислородный транспорт подобных систем оказался подобен транспорту нативного гемоглобина. Проводились испытания in vivo (мыши), которые указали на биосовмести­мость таких клеток.

6. Получение «умных» полимеров и их использование для иммобилизации биологически активных веществ. За последние годы все возрастающее значение для медицины и биотехнологии приобретают «умные» полимеры. Так называют полимеры, способные реагировать (сжиматься или набухать) на небольшие изменения во внешней среде (температура, рН, электрическое поле и т.д.). «Умные» полимеры с иммобилизованными БАВ используются для выделения лекарств при опреде­ленных условиях, как правило, при заданной температуре или рН. Обычно «умные» полимеры получают традицион­ными методами, однако в последнее время, для этой цели стала использоваться также радиационная полимериза­ция. Среди «умных» полимеров наибольшее число публикаций посвящено поли(N-изопропилакриламиду) (поли-N-ИПАА). Данный полимер имеет в воде нижнюю критическую температуру растворения (НКТР) ~32°С, т.е. близкую к температуре человеческого тела. Выше 32°С происходит фазовое разделение, обусло­вленное конформационным переходом макромолекулы поли-N-ИПАА из рыхлой глобулы в компактный клубок, что сопровождается резким уменьшением раз­меров макромолекулы.

Было изучено поведение гидрогелей, полученных на основе поли(N-изопропилакриламида) и скорость диффузии иммобилизованных в них лекарственных препаратов в условиях имитирующих человеческий организм. Было установлено, что при 37⁰С и рН=1,4 (нормальные условия в желудке человека) происходит медленное выделение иммобилизованных в гидрогель индометацина и амилазы, но при изменении величины рН до 7,4 (условия в кишечнике) выделение лекарств значительно ускоряется. Таким образом, можно создавать лекарственные формы, позволяющие доставлять препарат к пораженному органу без значительных потерь.

Другим направлением использования таких “умных” полимеров является создание сигнал-чувствительных систем, состоящих из био­сенсора, активатора и резервуара для коррекции нарушений в работе различных органов в организме человека. Так для больных диабетом разрабатываются специальные системы с биосенсором на глюкозу, которые запускаются по принципу включение - выключение для выде­ления определенных порций инсулина, иммобилизованного в гелях, т.е. работающие по принципу поджелудочной железы.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

1. Сазыкин Ю.О. Биотехнология / Ю.О. Сазыкин, С.Н. Орехов, И.И. Чекалиева // Издательский центр "Академия", М. 2006.-256 с.

2. Фармацевтическая микробиология / под ред.проф. В.А. Галынкина, проф. В.И. Кочеровца.- ЗАО “Арнебия”, 2003г. - 320 с.

3. Егорова Т.А. Основы биотехнологии / Т.А. Егорова, С.М. Клунова, Е,А. Живухина // Издательский центр “Академия”, М. 2003.-208 с.

4. Елинов Н.П. Основы биотехнологии. -Издательская фирма "Наука", СПБ, 1995.- 600 с.

5. Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б.Глик, Дж.Пастернак // - М. “Мир”. 2002.- 590 с.

Дополнительная литература

6. Снициин А.П. Иммобилизо­ванные клетки микроорганизмов / А.П. Снициин, Е.И. Райнииа, В.И. Лозинский, С.Д. Спасов // - М.: Изд-во МГУ, 1994. - 288 с.

7. Иммобилизованные клетки и ферменты. - Пер. с англ./ Под ред. Дж. Вудворта.-М.: Мир, 1988.

8. Краткий терминологический словарь микробиолога-биотехнолога. - М.: Наука, 1989. - 136 с.

9. Саруханов А.В. Оборудование микробиологических произ­водств: Справочник // А.В. Саруханов, В.А. Быков - М.: Колос, 1993. - 384 с.

10. Молекулярные и клеточные аспекты биотехнологии / Под ред. С.Г. Инге-Вечтомова. - Л.: Наука, 1996. - 256 с.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Назовите основные классы ферментных препаратов?

2. Назовите основные источники промышленно значимых ферментов?

3. Что такое поверхностный способ культивирования продуцентов?

4. Что такое глубинный способ культивирования продуцентов?

5. На чем основано ферментативное разделение рацемических смесей?

6. Что такое рибозим?

7. Какой фермент называют иммобилизованным?

8. Назовите основные способы иммобилизации ферментов?

9. Назовите основные типы носителей и материалов для иммобилизации ферментов?

10. В чем преимущество иммобилизованных ферментов перед неиммоблизованными?

11. С чем связана потеря активности ферментов после иммобилизации?

12. В чем преимущество иммобилизованных клеток перед иммоблизованными ферментами?

13. В чем недостатки иммобилизованных клеток перед иммоблизованными ферментами?

14. Что такое «активный ил»?

15. Чем обусловлены особенности конструкции ферментеров работающих с иммобилизованными ферментами и клетками?

16. Какие требования предъявляются к полимерным биоматериалам?

17. Почему для полимеров медицинского назначения используют радиационный способ полимеризации?

18. Что такое «умные полимеры»?

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Дата добавления: 2015-06-28