ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2015, том 49, № 4, с. 337-340
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ И МАТЕРИАЛЫ
УДК 547.995.12:681.7
ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ МЕТОДОМ ДВУХФОТОННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
© 2015 г. П. С. Тимашев*, Т. С. Демина**, Н. В. Минаев*, К. Н. Бардакова*, А. В. Королева***, О. А. Куфельт***, Б. Н. Чичков***, В. Я. Панченко*, Т. А. Акопова**, В. Н. Баграташвили*
*Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН 142092, Троицк, ул. Пионерская, 2 **Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН 117393, Москва, ул. Профсоюзная, 70 ***Лазерный центр Ганновера 30419, Ганновер, Холлерихалле, 8
E-mail: detans@gmail.com Поступила в редакцию 05.12.2014 г. В окончательном виде 09.02.2015 г.
DOI: 10.7868/S0023119315040178
Двухфотонная полимеризация является одним из наиболее перспективных методов получения трехмерных микро/наноструктур, применяемых в широком диапазоне областей — от нанофотоники до биологии. В отличие от других методов стерео-литографии 2-х фотонная полимеризация обеспечивает точную локализацию фотоинициации и не допускает локальных перегревов материала [1, 2]. Фотоинициация происходит за счет практически одновременного поглощения двух фотонов с относительно низкими энергиями, которые вместе обладают достаточной для разрыва лабильных связей и инициации пространственной сшивки энергией. Двухфотонное поглощение реализуется лишь в очень малом объеме в окрестности фокуса, который не превосходит x3, где x — размер длины волны. Тем самым, при использовании фемтосе-кундных лазеров, при точечной экспозиции может достигаться высокое, до 100 нм, пространственное разрешение [3].
Возможность создания структур с заданной архитектоникой определяет интерес к процессу 2-х фотонной полимеризации прежде всего в биотехнологии, в т.ч. в области регенеративной медицины для создания материалов для заместительной терапии [4, 5]. Материалы должны выполнять роль временной подложки для адгезии, роста и пролиферации клеток, а их структура должна обеспечивать свободную миграцию клеток и питательных веществ. Соответственно, компоненты для создания таких материалов должны быть биосовместимыми, а в случае их применения в качестве in vivo имплантатов и биодеградируемыми. Известны работы по 2-х фотонной полимериза-
ции биополимеров (альбумин, фибриноген, коллаген и т.д.) и синтетических полимеров (диакрилат полиэтиленгликоля, полимеры на основе капро-лактона и лактида) [4]. В [6] описана 2-х фотонная полимеризация акриловых мономеров, допиро-ванных 1—10 мас. % хитозана, с получением нано-структурированных (разрешение до 700 нм) материалов. Установлено, что хитозан не участвует в образовании трехмерной сшивки. Природный полисахарид — хитозан — биодеградируемый полимер, обладающий разнообразными спектром биохимических свойств благодаря наличию в его структуре первичных аминогрупп. Хитозан широко применяется для создания материалов биомедицинского назначения [7, 8].
В представленной работе методом 2-х фотонной полимеризации на установке микростереоли-тографии, аналогичной описанной в [3], с использованием второй гармоники фемтосекундного лазера ТЕМА-1053/100 (ООО "Авеста-Проект", 80 фс, 69.7 МГц) получены микроструктурированные материалы на основе хитозана, его производных и сополимеров, синтезированных твердофазным способом в условиях сдвигового деформирования в двухшнековом экструдере [9].
Использовали хитозан (рис. 1а) — поли[(1 ^ ^ 4)-2-амино-2-дезокси-р-Э-глюкозу], полученный твердофазным способом из хитина панцирей краба как описано в [10]. Молекулярная масса хитозана составляла 40—50 кДа; степень ацетилиро-вания — 0.30. Аллилхитозан (рис. 1б) получали твердофазным способом при взаимодействии хи-тозана и аллилбромида в экструдере. Введение двойной —С=С— связи в хитозан позволяет рас-
(a)
CH2OH
CH2OH
nh2
NHCOCH3
(б)
CH2OH
CH2OH
CH2OH
o—
HN I
CH2C^CH2
nh2
NHCOCH3
Рис. 1. Структура хитозана (а), аллилхитозана (б) и хитозана-ПВС (в).
ширить возможности получения новых материалов на его основе за счет реакций присоединения, сшивания и привитой сополимеризации. Степень замещения аминогрупп хитозана аллильны-ми фрагментами составляет 0.08 по данным ЯМР анализа. Для твердофазного синтеза привитых сополимеров хитозана с поливиниловым спиртом (хитозан-ПВС) в качестве исходных компонентов использовали хитин и поливинилацетат (ПВА), дезацетилирование которых в процессе сдвигового деформирования твердых реакционных смесей со щелочью приводит к образованию целевой смесевой композиции хитозана и ПВС для получения привитых сополимеров (рис. 1в). В этом случае появляется возможность использовать неактивные в обычных условиях концевые альдегидные группы ПВС, образование которых in situ в ходе механохимического воздействия на ПВА повышает их реакционную способность по отношению к аминогруппам хитозана. Привитые сополимеры хитозана и ПВС пригодны для стабилизации биоактивных молекул и нанодисперсий различной природы [11, 12], а также для создания систем с контролируемым высвобождением лекарственных средств, в том числе гидрогелей. В работе использовали растворимую в кислых водных средах фракцию сополимера, обогащенную хито-заном [13].
Для получения фоточувствительных композиций готовили 5%-ные растворы полимеров в 4%-ной уксусной кислоте. Нерастворимую фракцию отделяли центрифугированием (40 мин, 14500 об/мин) и фильтрованием через мембрану с размером пор 0.45 мкм. Растворы помещали в испарительный бюкс, где при одновременном нагревании и воздействии вакуума (35°C; 0.2 МПа) упаривали растворы до гелеобразного состояния (концентрация полимера составляла около 20 мас. %). Для получения фоточувствительного материала высоковязкие растворы полимеров (100 мг) смешивали с 200 мкл водного раствора фотоинициатора (ФИ) Irgacure 2959 (BASF Kaist-en AG, Германия) (1 мас. %) в течение 1 ч, затем в смеси вносили 20 мг диакрилата полиэтиленгли-коля (ПЭГ-ДА) ("Sigma-Aldrich", Германия) и перемешивали при комнатной температуре 1.5 ч.
На рис. 2 представлены микрофотографии характерных структур и массивов цилиндров, полученных при микростереолитографии фоточувствительных композиций образцов хитозана, аллилхитозана и хитозана-ПВС с массовым соотношением компонентов полимер/ПЭГ-ДА/ФИ, равном 10/10/1. На рис. 2а, б, г, е представлены микрофотографии трехмерных образцов, состоящих из цилиндрических структурных единиц (внешний диаметр 160 мкм, высота 80 мкм). На рис. 2в, д показаны двумерные массивы структур-
ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ
339
Гл,
(в)
як
11
г./
П) 1)
V V"
,о) о. э)
160 мкм
Г~ И'.МЯ
рллГд 111
V»* 1
I
Шм]
(б)
160 мкм
/
100 мкм , ч
I_I (е)
Рис. 2. Микрофотографии структур и массивов, полученных при 2-х фотонной полимеризации хитозана (а, б), аллил-хитозана (в, г) и хитозана-ПВС (д, е).
ных единиц, структурированных с различными (от 9 до 4 мкм слева направо), по оси ординат ме-параметрами: по оси абсцисс изменяется количе- няется расстояние между отдельными проходами ство вертикальных слоев и расстояние между ними лучей (от 4 до 9 мкм снизу вверх). Видно, что полу-
ченные структуры имеют правильную форму, что характерно для однородных композиций. Эффекты "сжатия", характерные для процесса однофо-тонной полимеризации [14], при структурировании в выбранных условиях проведения эксперимента отсутствуют. Все полученные образцы при очистке от непрореагировавших компонентов сохраняют свою структуру и обладают достаточной для применения в качестве имплантатов in vivo механической прочностью.
Таким образом, методом 2-х фотонной полимеризации под действием лазерного источника с фем-тосекундной длительностью импульсов впервые были сформованы дву- и трехмерные структуры на основе хитозана, аллихитозана и привитого сополимера хитозана и поливинилового спирта, полученных методом твердофазного синтеза в условиях сдвигового деформирования в экструдере.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 14-29-07234-офи_м - работы по твердофазному синтезу производных хитозана) и РНФ (проект 14-13-01422 — работы по микроструктурированию систем на основе хитозана и его производных).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Koroleva A., Kufelt O., Schlie-Wolter S., Hinze U., Chichkov B. // Biomed. Tech. 2013. V. 58. № 5. P. 399.
2. Melchels F.P. W., Feijen J., Grijpma D.W. // Biomaterials. 2010. V. 31. P. 6121.
3. Koroleva A., Gill A.A., Ortega I., Haycock J.W., Schlie S., Gittard S.D., Chichkov B.N., Claeyssens F. // Biofabrication. 2012. V 4. doi: 10.1088/1758-5082/4/2/025005.
4. Raimondi M.T., Eaton S.M., Nava M.M., Lagana M., Cerullo G., Osellame R. // J. Appl. Biomater. Biomech. 2012. V 10. № 1. Р. 55.
5. Ovsianikov A., Mironov V., Stampfl J., Liska R. // Expert Rev. Med. Devices. 2012. V. 9. P. 613.
6. Correa D.S., Tayalia P., Cosendey G., dos Santos D.S., Aroca R.F., Mazur E., Mendonca C.R. // J. Nanosci. Nanotechnol. 2009. V. 9. P. 5845.
7. Muzzarelli R.A.A., Muzzarelli C. // Adv. Polym. Sci. 2005. V. 186. P. 151.
8. Dash M., Chiellini F., Ottenbrite R.M., Chiellini E. // Prog. Polym. Sci. 2011. V. 36. № 8. P. 981.
9. Akopova T.A., Zelenetskii A.N., Ozerin A.N. // Focus on Chitosan Research / A.N. Ferguson, A.G. O'Neill (Eds.). N.Y: Nova Science Publishers, 2011. P. 223-254.
10. Акопова Т.А., Роговина С.З., Вихорева Г.А., Зеленец-кий С.Н., Гальбрайх Л.С., Ениколопов Н.С. // Высо-комолек. соед. Б. 1991. Т. 32. № 10. С.735.
11. Озерин А.Н., Перов Н.С., Зеленецкий А.Н., Акопова Т.А., Озерина Л.А., Кечекьян А.С., Сурин Н.М., Владимиров Л.В., Юловская В.Д. // Российские на-нотехнологии. 2009. Т. 4. № 5-6. С. 107.
12. Zaytseva-Zotova D., Balysheva V., Tsoy A., Drozdova M., Akopova T., Vladimirov L., Chevalot I., Marc A., Goer-gen J.-L., Markvicheva E. // Advanced Engineering Materials. 2011. V. 13. № 12. P. B493.
13. Леснякова Л.В., Акопова Т.А., Вихорева Г.А., Перов Н.С., Зеленецкий А.Н. // Композиты и наноструктуры. 2012. № 1. С. 44.
14. Li Y., QiF., YangH, GongQ., DongX., Duan X. // Nan-otechnology. 2008. V
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.