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 vivoна 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.

1.,

15. 3