Новые материалы для медицины и биотехнологии на основе полимерных гидрогелей

Аннотация. В последние десятилетия большой интерес вызывают материалы медико-биологического назначения, то есть материалы, предназначенные для создания изделий, устройств и препаратов, применяемых в медицине, биотехнологии, сельском хозяйстве и т.п., и используемые для обеспечения и оптимизации жизнедеятельности живых организмов. В данной статье проанализированы новые материалы для медицины и биотехнологии на основе пористых полимерных гидрогелей с помощью следующих задач: определен гидрогель и его характеристики, охарактеризованы свойства гидрогелей, раскрыты основные способы их получения и перспективы применения, выявлены проблемы использования в медицине.
Ключевые слова: гидрогели, медицина, биотехнология, полимерные системы, биоматериал
Introduction. In recent decades, of great interest are materials of medical and biological purposes, that is, materials intended for the creation of products, devices and drugs used in medicine, biotechnology, agriculture, etc., and used to ensure and optimize the life of living organisms. This article analyzes new materials for medicine and biotechnology on the basis of porous polymer hydrogels with the help of the following tasks: the hydrogel and its characteristics are defined, the properties of hydrogels are characterized, the main ways of their production and prospects of application are revealed, the problems of use in medicine are revealed
Keywords: hydrogels, medicine, biotechnology, polymer systems, biomaterial.
Существенное внимание сегодня уделяется влиянию полимерных материалов на системы гемосовместимости, биодеградации, испытаниям на биосовместимость, стерилизацию биотехнологических полимеров, методам модификации биологически активных веществ полимерами, созданию композиционных материалов. Пример таких материалов как полимерные пористые гидрогели, которые в зависимости от назначения изделия могут обеспечить комплексное действие – гемостатический эффект, противовоспалительное, противоотечное, обезболивающее действие, стимулируя заживление ран, язв, ожогов и т.д. [1]
Гидрогель представляет собой сополимер N-замещенного метакриламида или акриламида, сшивающего агента и соединения сахара или его производного, пептида, соединяющего ткань, или сопряженного полимера с антителами, причем полимер является гетерогенным, упругодеформирующимся и имеющим равновесное содержание воды, по крайней мере, около 80% (средний размер пор 35-40 мкм). Внений вид гидрогеля представлен на рис. 1.
Он может быть использован для регенерации ткани и для восстановления органа, например, в развивающейся и зрелой нервной системе. Гидрогель обладает улучшенной способностью заживления ткани в тканевом образовании, которое достигается благодаря контролю над разрастанием клетки, инфильтрацией клетки и организацией ткани в стабильной полимерной матрице.
Полимерные гели - уникальные материалы, имеющие необычные свойства. Некоторые гели поглощают воды в 400 раз больше их собственного веса. Связанная вода в гелях может не замерзать до - 780С. Гели изменяют свои свойства под воздействием внешних факторов. Большинство гидрогелей стойки к действию кипящей воды, а также к влиянию кислот и щелочей. Эти материалы выдерживают рН в интервале 1-10, а также температуру от 10 до 130 градусов по Цельсию. К тому же они имеют хорошие оптические свойства, что особенно кстати при создании искусственной роговицы и стекловидного тела. Так, если говорить об оптических свойствах гидрогелей, коэффициент их преломления практически совпадает с коэффициентом преломления воды (1,33 и 1,35 соответственно). Механические свойства тоже поражают: гидрогели могут выдерживать давление от 0,6 до 3,0 МПа. [2]
Рис. 1 Гидрогель
Основные методы получения полимерных гидрогелей - радикальная полимеризация гидрофильных мономеров в присутствии сшивающих агентов, сшивание гидрофильных олигомеров или полимеров обычными методами синтеза сетчатых полимеров; прививка перечисленных мономеров к природным полимерам, обеспечивающим образование сетки, химические реакции полимеров, например гидролиз сшитого или привитого полиакрилонитрила. [3]
Важное место среди полимерных гидрогелей заняли стимул-чувствительные полимерные системы, способные обратимо и адекватно реагировать на незначительные изменения в окружающей их среде заранее запрограммированным образом.
Около 50 лет ведутся работы по разработке и созданию новых биоматериалов на основе полимерных гидрогелей. И на сегодняшний день достигнуты огромные успехи. Но большинство разработанных полимерных гидрогелей, даже использованных на практике, по-прежнему имеют некоторые недостатки, такие как:
- недостаточная механическая прочность;
- низкая осмотическая устойчивость (резкое изменение объема при незначительном изменении pH и ионной силы);
- возможность синерезиса при хранении;
- диффузионные затруднения при сорбции и десорбции веществ даже маленькой молекулярной массы и т.д. [4]
В настоящее время существует влияние получения подобных систем, но большая их часть представляет технологическую сложность и невозможность практического применения для получения значимых объемов продукции. Один из немногих достаточно технологичных методов получения макропористых полимерных гидрогелей - это метод криоструктурирования: формирование трехмерной пористой структуры в присутствии гетерофазы замороженного растворителя - как правило, воды. Один из более доступных типов макропористых гидрогелей, получаемых по описанной выше схеме, - это криогель поливинилового спирта - полимер, обладающий высокой биосовместимостью и многие десятилетия широко применяющийся в медицине, в том числе как компонент кровезаменителя, образующегося при замораживании и дальнейшем оттаивании растворов этого полимера.[5]
Непревзойденные достоинства макропористых гидрогелей - это свойства, связанные с наличием в них системы связанных пор, занимающих основной объем образца (до 90–95 %):
- способность сорбировать и удерживать большие объемы жидкости. При этом скорость сорбции в десятки раз выше аналогичного показателя обычных гелей и не зависит от размеров частиц гелей.
- слабое влияние внешних условий, например pH и ионной силы раствора, на равновесную набухаемость гидрогелей. А именно, они в отличие от других известных гидрогелей, не коллапсируют, то есть резко не изменяют свой объем вследствие внешних изменений.
- улучшаются эластичность и механическая прочность гелей.
Стремительное развитие физикохимии полимерных гидрогелей сыграло радикальную роль в области их практического применения. Внедрение полимерных гидрогелей в технологию производства фармацевтических препаратов позволило создать принципиально новые лекарственные формы и различные макромолекулярные терапевтические системы на основе природных и синтетических полимеров. [6]
Известно, что пищеварительный тракт человека включает желудок, имеющий кислую среду (рН около 1,5), и кишечник с нейтральной средой (рН 6,7-7,4). Оболочка таблеток на основе гидрогелей акриловых кислот не растворяется в желудке и защищает ЛВ от вредного воздействия внешних факторов. Попав в кишечник, оболочка из геля набухает и постепенно выделяет активное вещество в окружающую среду.
Значительный практический интерес представляют рН-чувствительные системы на основе природных полимеров, таких как хитин, декстран, целлюлоза и их производные. Подобные полимеры будучи нетоксичными, натуральными и биодеградируемыми уже нашли практическое применение в технологии лекарств, в качестве материалов для получения мембран, пленок, гидрогелей, сорбентов, для пролонгации и инкапсулировании лекарственных веществ и т.д.[7]
Полимерные гидрогели были описаны во многих работах как имплантаты в нервной системе. Эти гидрогели были получены методом свободной радикальной полимеризации в воде с применением персульфата аммония и метабисульфита натрия или персульфата и аскорбиновой кислоты в качестве инициаторов восстановления-окисления с гидроксиэтил-метакрилатом (рНЕМА), глицидил-метакрилатом (pGMA) или N-гидроксипропил-метакриламидом (рНРМА) или с композицией, включающей в себя вышеупомянутые мономеры со сшивающими агентами, которыми могут быть этиленгликоль и тетраэтиленгликоль-диметакрилат или метилен-бис-акриламид. Эти гели являются типично гомогенными и оптически прозрачными с двумодальной пористостью, включающей открытые (полость поры открыта) и закрытые поры, как об этом свидетельствуют данные ртутной порометрии и данные сканирующей электронной микроскопии; характерно, что пористая структура у этих гелей образована параллельными цилиндрическими капиллярами с круглым поперечным сечением, при среднем диаметре поры от 7 до 13 мкм. Было обнаружено, что их биологическая активность зависела от введения или сополимеризации коллагена в сшитую решетку. [8]
Кембриджскими учеными была рассмотрена полимерная губка из поли(2-гидроксиэтил-метакрилата), которая применена в качестве имплантата головного мозга для регенерации ткани и выращивания аксона. Этот продукт целесообразнее применять с добавкой коллагена в сетку полимера в качестве биосвязующей ткани и после включения шванновских клеток. [9]
Производство контактныых линз является основной из причин развития гидрогелей, ведь они не только корректируют зрение, у них есть и другие функции. Наиболее используемым полимером, используемым для производства мягких контактных линз, является силикон в форме гидрогеля, обладающий отличной проницаемостью кислорода.
Возможно применение таких линз для лечения глазных инфекций. Только около 5% лекарств, вводимых глазными каплями, биодоступны, при этом в настоящее время глазные капли составляют более 90% всех офтальмологических лекарств.
Биодоступность офтальмологических препаратов можно улучшить с помощью офтальмологической доставки лекарств на основе мягких контактных линз. Для этого уже было исследовано несколько полимерных гидрогелей для обычных контактных линз с поглощением и высвобождением офтальмологических лекарств. [10]
В наше время все большее количество людей требует замены поврежденных тканей или органов. Самая важная проблема пересадки - отторжение трансплантированного органа или ткани - ещё далека от своего полного решения. Организм каждого человека на поверхности всех клеток имеет специальный набор определённых белков - антигенов совместимости. Все полимерные материалы воспринимаются клетками организма как посторонний предмет. Первичная реакция на имплантированный полимер неспецифическая и является обыкновенной реакцией раздражения на посторонний предмет. Обычно эта реакция представляет собой асептическое воспаление, степень которого определяется как химическими, так и физическими свойствами полимерного материала. [11]
Сегодня полимерные гидрогели - наиболее универсальные и перспективные материалы для использования в ряде различных областей медицинской науки и новый пласт в инновационной и фундаментальной медицине. Данная инновация в будущем позволит вылечить пациентов, страдающих заболеваниями, с которыми современная медицина не в состоянии справиться. [12]
Библиографический список:
Штильмаи М.И. Полимеры медико-биологического назначения/ М.И. Штильман. М: Академкнига, 2015.
Энциклопедия Полимеров. Ред. коллегия: В. А. Каргин (глав. ред. и др.) Т.1 А–К. М., Сов. Энц. , 1972. -1224 .
Кайралапова Г. Ж. Синтез и исследование новых органо – минеральных носителей лекарственных веществ на основе бентонитовой глины и поликарбоновых кислот. Алма-Аты, 2009.
Вихорева Г.А., Зоткин М.А., АгеевЕ.П., Матушкина Н.Н., Кечекьян А.С. Свойства хитозановых пленок модифицированных термообработкой// Новые достижения в исследовании хитина и хитозана: Мат. шестой межд. конф. – Москва-Шелково: ВНИРО, 2001. –С.14-18.
Хмельницкий С.И., Лесовой Д.Е. Перспективы использования суперпористых гидрогелей и их композиций на основе поливинилового спирта в новых медицинских технологиях//Новости медицины и фармации», 2014.
Валуев Л. И., Валуева Т.А., Валуев И.Л., Платэ Н.А. Полимерные системы для контролируемого выделения биологически активных соединений // Усп. биол. химии. – Москва, 2003. -Т.43. -С.307-328.
Иминова Р. С. Полимер глинистые композицинные носители биологически активных соединений на основе некоторых неионогенных полимеров. Алма-Аты, 2009.
Dong L.C., Yan Q., Hoffman A.S. Controlled release of amylase from a thermal and pH-sensitive, macroporous hydrogel//J. Cont.Rel. –London, 1992. V. 19. –P.171-177.
Dusek K., Prins W. Structure and elasticity of non-crystalline polymer networks // Adv. Polymer Sci. -New York, 1969. -V.6. -№1. -Р. 3-102.
Tanaka T. Collapse of Gels and the Critical Endpoint// Phis. rev.lett. -New York, 1978. –V.40. -№12. -P.820-823.
Кабанов В.А. Полиэлектролитные комплексы в растворе и в конденсированной фазе// Успехи химии. – Москва, 2005. -Т.74. -№1. -С.5-23.
Полимерные гидрогели в фармацевтике: физико-химические аспекты/ И.Э.Сулейменов, Т.В.Будтова и др.; Под ред. Панарина ФЕ. -Алматы-Санкт-Петербург: 2004. -210 с.