научная статья по теме ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БИОСОВМЕСТИМЫЕ ГИДРОГЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОЛИАКРИЛАМИДА И ЦЕЛЛЮЛОЗЫ: СИНТЕЗ, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ИСКУССТВЕННЫХ ЗАМЕНИТЕЛЕЙ ХРЯЩЕВЫХ ТКАНЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БИОСОВМЕСТИМЫЕ ГИДРОГЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОЛИАКРИЛАМИДА И ЦЕЛЛЮЛОЗЫ: СИНТЕЗ, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ИСКУССТВЕННЫХ ЗАМЕНИТЕЛЕЙ ХРЯЩЕВЫХ ТКАНЕЙ»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2013, том 55, № 5, с. 512-522

ПОЛИМЕРНЫЕ ГЕЛИ

УДК 541.64:547(458.82+39)

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БИОСОВМЕСТИМЫЕ ГИДРОГЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОЛИАКРИЛАМИДА И ЦЕЛЛЮЛОЗЫ: СИНТЕЗ, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ИСКУССТВЕННЫХ ЗАМЕНИТЕЛЕЙ ХРЯЩЕВЫХ ТКАНЕЙ

© 2013 г. А. Л. Буянов*, И. В. Гофман*, А. К. Хрипунов*, А. А. Ткаченко**, Е. Э. Ушакова***

* Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук 199004 Санкт-Петербург, Большой пр., 31 ** Санкт-Петербургский государственный университет 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7-9 *** Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. ак. Павлова 197022 Санкт-Петербург, ул. Л. Толстого, 6/8 Поступила в редакцию 03.05.2012 г. Принята в печать 01.11.2012 г.

Методом радикальной полимеризации акриламида в набухшей в реакционном растворе целлюлозе синтезированы новые композиционные гидрогели на основе целлюлозы и полиакриламида. В работе использована как растительная форма целлюлозы, так и бактериальная — особый вид, выращенный бактериями Лсе1оЪас1ег ХуИпиш. Изучено поведение синтезированных гидрогелей при набухании в воде, а также поведение равновесно-набухших образцов при деформировании в условиях одноосного сжатия в различных режимах испытания. Проведен анализ основных механических характеристик гидрогелей в сравнении с данными для различных видов суставных хрящей, один из которых (мениск коленного сустава кролика) протестирован в настоящей работе. Показано, что средний по жесткости гидрогель по всем механическим характеристикам очень близок к суставным хрящам. Для него уровень нагрузок при наиболее высоких значениях величин деформаций сжатия, наблюдаемых при функционировании хрящей в суставах (30—50%), находится в диапазоне 4 —12 МПа, а средние показатели модуля сжатия на участках деформаций 10—15 и 25—30% равны 8.8 и 23.7 МПа соответственно. Исследовано поведение гидрогелей и мениска кролика в режиме циклического сжатия с амплитудой 50%. Гидрогели и мениск в таком режиме испытания демонстрируют выраженное вязко-упругое поведение, что фиксируется по сильному гистерезису для первого цикла и падению величины максимальной нагрузки с ростом числа циклов. Рассмотрены структурные особенности гидрогелей, которые могут повлиять на наблюдаемое поведение. В целом результаты показывают возможность моделирования механического поведения хрящей с помощью гидрогелей данного вида.

БО1: 10.7868/80507547513050036

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время имеется высокая потребность в биосовместимых материалах, которые могли бы длительное время функционировать в организме в качестве искусственных заменителей поврежденных тканей. По механическим свойствам такие материалы должны приближаться к тем видам живых тканей, которые они заменяют. Весьма актуальна разработка искусственных заменителей хрящевых тканей, особенно суставных хрящей различной локализации. По данным работы [1] около 190 миллионов человек во всем мире больны различными формами артритов и

E-mail: buyanov799@gmail.com (Буянов Александр Львович).

артрозов. В пораженных суставах хрящи деградируют и разрушаются, что приводит к тяжелым последствиям, кардинально ухудшая качество жизни больного. К повреждению хрящевой ткани ведут также травмы суставов.

Одним из методов лечения серьезных суставных патологий может быть замена поврежденных участков хряща гидрогелевыми материалами, которые приближаются по содержанию воды и физическим свойствам к некоторым видам живых тканей. Благодаря этому гидрогели обладают хорошей биосовместимостью и рассматриваются в настоящее время как кандидаты на роль искусственных заменителей хрящей, а также межпозвоночных дисков и сосудов [1—4]. Однако био-

совместимые гидрогели, например гели полиа-криламида (ПАА), имеют более низкие величины модуля упругости (на два порядка и более), чем суставные хрящи [5].

Известно, что хрящи способны выдерживать значительные и длительно действующие механические нагрузки. Так, в обзоре [6] отмечается, что контактная нагрузка, действующая на поверхность суставных хрящей в ходе обычной повседневной деятельности человека, близка к 2 МПа, а более напряженная деятельность приводит к нагрузкам порядка 6 МПа. Максимальная нагрузка, не приводящая к травмам, равна приблизительно 12 МПа [6], а по данным работы [7] может достигать 15—30 МПа. Установлено, что основным видом деформации, которой подвергаются хрящи в суставах, является сжатие [8], а величина их деформации может в процессе движения человека достигать 30 [6] и даже 50% [9]. Вместе с тем, для большинства известных видов гидрогелей уровень напряжения при деформации сжатия 30— 50% не превышает в лучшем случае 1—2 МПа, а обычно намного меньше.

В работах авторов статьи [5, 10—14] развиты методы синтеза композиционных гидрогелевых материалов нового вида с улучшенными механическими характеристиками. Они состоят из жесткого целлюлозного "каркаса", внутри которого на микроуровне встроены гибкие цепи гидрофильных полимеров, таких как ПАА. Присутствие последних в материале придает ему эластичность и создает необходимый уровень набухания, а жесткоцепной каркас — целлюлоза обеспечивает композиции прочность. Такая структура в некоторой степени воспроизводит строение натуральных хрящей, в которых также два основных полимерных компонента (коллаге-новые волокна и протеогликаны) взаимно дополняют и усиливают друг друга. Важно также, что по данным работ [15, 16] оба полимера (и целлюлоза, и ПАА) обладают хорошей биосовместимостью.

Композиционные гидрогели этого типа можно отнести к классу гидрогелей со структурой взаимопроникающих полимерных сеток (ВПС), но они значительно отличаются от известных ранее видов ВПС по уровню организации надмолекулярной структуры. Для них уровень значений напряжения, фиксируемых в диапазоне деформаций сжатия 30— 50%, достигает 3—6 МПа, и они способны устойчиво, т.е. без заметного ухудшения механических характеристик выдерживать многоцикловые "усталостные" испытания в режимах циклического сжатия до деформации 30% [13, 14]. Такие характеристики соответствуют среднему уровню значений напряжения сжатия, наблюдаемых в процессе функционирования суставных хрящей, но значительно ниже уровня максимальных значений. Авторами были получены данные о показателях биосовместимости ряда образцов гидрогелей этого

типа [12, 13, 17, 18]. Они оказались нетоксичными для фибробластов и клеток крови. Не было выявлено какого-либо отрицательного влияния на пролиферацию клеток. Один из образцов в течение шести месяцев находился в тканях собаки без каких-либо отрицательных последствий. При гистологическом исследовании было обнаружено, что вокруг им-плантата не формируется грубая капсула соединительной ткани. Фибробласты проникали в объем искусственного хряща и формировали там компоненты внеклеточного матрикса. Это свидетельствовало о высокой степени биосовместимости данных образцов гидрогелей.

В последнее время авторами данной статьи были синтезированы образцы композиционных гидрогелей с повышенным содержанием целлюлозы, значительно превосходящие изученные ранее по уровню механических характеристик. Цель настоящей работы — анализ механического поведения новых образцов в сравнении с таковым для различных видов натуральных суставных хрящей. Следует отметить, что данные о механическом поведении суставных хрящей, полученные в режимах их реального функционирования в суставах, очень ограничены. Так, не удалось найти данных о механическом поведении суставных хрящей в режиме циклического сжатия. В большинстве публикаций приводятся обычно результаты, полученные при однократном деформировании образцов. То же относится и к литературным данным о механическом поведении гидрогелей, которые позиционируются как потенциальные искусственные хрящи [4]. Такой информации недостаточно для оценки пригодности искусственного материала как заменителя хрящевой ткани. В связи с этим, в настоящей работе также была поставлена цель получить недостающие для сравнительного анализа данные и протестировать один из видов хряща в режиме многократных нагрузок.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Образцы композиционных гидрогелей, содержащих в составе растительную (РЦ) либо бактериальную (БЦ) целлюлозу, синтезировали методом радикальной сополимеризации акриламида с низкомолекулярным сшивающим агентом N,N'-метилен-бис-акриламидом (МБА), которую проводили внутри набухшей в реакционном растворе целлюлозы. Время ее набухания в реакционном растворе изменяли от 1 до 16 ч для варьирования количества поглощенного целлюлозой реакционного раствора, что приводило к синтезу композиционных гидрогелей с различным соотношением целлюлозы и ПАА. Начальные концентрации ак-риламида, МБА и инициатора (ацетат кобальта III) в водном реакционном растворе были равны 7.4, 1.4 х 10-3 и 0.5 х 10-3 моль/л соответственно. Методики приготовления целлюлозных матриц и гидрогелей, а также их анализа и подго-

а, МПа

30

20 10

20

40

60

Б, %

Рис. 1. Кривые сжатия в координатах напряжение-деформация для композиционных гидрогелей РЦ—ПАА с содержанием целлюлозы в композициях 17.7 (1), 12.0 (2) и 5.4% (3), однокомпонентного гидрогеля ПАА (4) и мениска коленного сустава кролика при измерении в перпендикулярном (5) и параллельном направлении (5) по отношению к его поверхности.

товки для тестирования механических характеристик описаны авторами ранее [5, 10, 11]. После синтеза и набухания гидрогели представляли собой пластины толщиной 3-7 мм с плоскопараллельными поверхностями, из которых далее вырезали цилиндрические образцы с диаметром ~10 мм для механических испытаний.

Для приготовления образца, в составе которого содержались карбоксилатные группы, исходный гидрогель РЦ-ПАА в виде нескольких цилиндров с диаметром ~10 мм и высотой ~5 мм подвергали гидролизу в 1 М растворе №ОН в течение 8 ч при 50°С с последующим продолжением процесса еще 1 ч при 70°С. Степень гидролиза амидных групп, определенная элементным анализом, равнялась 0.59.

Два мениска коленных суставов кролика (левого и правого) после извлечения из суставов и освобождения от

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.

Показать целиком