ПЛАЗМОХИМИЯ
541.64+ 621.384.5
ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ В РАЗРЯДЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК ХИТОЗАН/ПОЛИ^^-ЛАКГИД)/ЖЕЛАТИНА © 2012 г. Т. С. Демина, М. Ю. Яблоков, А. Б. Гильман, Т. А. Акопова, А. Н. Зеленецкий
* Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова Российской академии наук
117393, Москва, ул. Профсоюзная, 70 E-mail: detans@gmail.com Поступила в редакцию 15.06.2011 г. В окончательном виде 27.06.2011 г.
Проведено модифицирование поверхности пленок из смеси хитозан/поли(Ь,Ь-лактид)/желатина, стабилизированной фракцией привитого сополимера, а также пленок из исходных компонентов в разряде постоянного тока. Поверхностные свойства пленок (смачиваемость, поверхностная энергия), химическая структура поверхностных слоев и их морфология исследованы методами гониометрического измерения краевых углов смачивания, рентгенофотоэлектронной спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии.
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2012, том 46, № 1, с. 64-69
УДК
Биосовместимый и биодеградируемый по-ли(Ь,Ь-лактид) (РЬЬА) широко используется в различных областях медицины и биотехнологии в качестве штифтов, протезов, шовных нитей, им-плантатов для костной и мягкой ткани, а также в качестве систем для направленной доставки лекарств. Однако, вследствие гидрофобности поверхности, его применение в качестве матриксов для тканевой инженерии и клеточных носителей существенно ограничено из-за низкой адгезии клеток.
Одним из методов решения этой проблемы является модификация РЬЬА путем получения привитых сополимеров и смесей с природными полимерами [1]. Материалы на основе модифицированного таким образом РЬЬА обладают повышенной биосовместимостью, клеточной адгезией и увеличивают пролиферацию клеток, способствуя ускорению процессов регенерации [2]. Наиболее перспективным с этой точки зрения биополимером является хитозан. Благодаря способности к биоразложению, нетоксичности, бактерицидному и антимикробному свойствам этот полисахарид является прекрасным материалом для использования в тканевой инженерии, а наличие положительного заряда на аминогруппах при нейтральных рН обеспечивает высокую био-адгезивность [3]. Добавление желатины в систему позволяет улучшить биосовместимость материала.
Однако синтез сополимеров на основе хитоза-на и полилактида сопряжен с рядом трудностей. При проведении процесса в расплаве полиэфира из-за низкой совместимости компонентов и неплавкости хитозана химическое взаимодействие между ними незначительно и происходит только
на поверхности полисахаридного компонента. Полученные таким образом смеси представляют собой композит, в котором полисахарид распределен неоднородно с сохранением исходного размера частиц [4]. Проведение процесса в растворе требует применения дорогостоящих и высокотоксичных растворителей. Твердофазный синтез таких систем позволяет: 1) избежать использования токсичных растворителей и 2) эффективно совместить исходные компоненты с высоким выходом привитого сополимера [5, 6].
Модификация поверхностных свойств полимеров, используемых в медицине и биотехнологии, с целью улучшения их гидрофильности, клеточной адгезии и взаимодействия полимер/ткань привлекает все большее внимание исследователей [7—9]. Используют низкотемпературную плазму пониженного давления, под воздействием которой на поверхности материала под действием ионов, радикалов, свободных электронов и возбужденных молекул происходят процессы окисления, сшивания, образования новых полярных групп и т.п. Эффективность модификации зависит от условий обработки и химической структуры поверхности полимера [10, 11]. В процессе обработки можно изменять такие свойства, как адгезия, проницаемость, гидрофильность и биосовместимость при сохранении объемных свойств материала [10, 12].
В данной работе решено совместить оба подхода к модификации РЬЬА и исследовать влияние воздействия низкотемпературной плазмы на поверхностные свойства материалов на основе смеси хитозан/РЬЬА/желатина, стабилизированной фракцией привитого сополимера.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Использовали хитозан — поли[(1 ^ 4)-2-ами-но-2-дезокси-Р^-глюкозу] — из хитина панцирей краба, полученный твердофазным синтезом [13]. Молекулярная масса хитозана составляла 60 кДа; степень ацетилирования по данным по-тенциометрического титрования и элементного анализа была 0.1. Поли(Ь,Ь-лактид) (PLLA) фирмы "Sigma", аморфно-кристаллический полиэфир с молекулярной массой 160 кДа, Тпл = 165°С применяли без дополнительной подготовки. Желатину пищевой марки П-9 также использовали без дополнительной очистки.
Смесь хитозан/PLLA/желатина (ХПЖ), стабилизированную фракцией привитого сополимера, получали методом твердофазного синтеза [14] под действием давления и сдвиговых напряжений в двухшнековом экструдере "Berstorff ZE-40" при соотношении компонентов 52 : 13 : 35 (г/г). Исходную смесь предварительно гомогенизировали при 50°С и скорости вращения шнеков 100 об/мин; синтез проводили при температуре реакционного смешения 100°С (ниже температуры плавления компонентов). Пленки формовали из стабильной в дихлорметане коллоидной суспензии смеси (5 мас. % полимера) методом полива на стеклянную подложку. Сформовать модельную трехком-понентную пленку без предварительной химической модификации смеси невозможно. Поэтому для определения вклада, вносимого каждым компонентом в поведение смесевой композиции, были сформованы и исследованы пленки из исходных компонентов. Пленочные образцы немоди-фицированных полимеров получали методом сухого формования из 5% растворов: хитозана в 4% уксусной кислоте, желатины в деионизован-ной воде, PLLA в дихлорметане. Пленки сушили при комнатной температуре в равновесных условиях до полного высыхания (~7 сут), толщина сформованных пленок составляла ~100 мкм.
Модификацию пленок проводили в разряде постоянного тока пониженного давления по методике [15]. Пленку сополимера помещали на анод или катод и обрабатывали при токе разряда 50 мА в течение 60 с, в качестве рабочего газа использовали остаточный воздух при давлении 13.3 Па.
Свойства поверхности характеризовали значениями краевых углов смачивания (9), измеренных с помощью Easy Drop DSA100 (KRUSS, Германия) и программного обеспечения Drop Shape Analysis V.1.90.0.14 по двум рабочим жидкостям — воде (деионизованной) и глицерину. Работу адгезии (W), полную поверхностную энергию (у), ее полярный (ур) и дисперсионный (yd) компоненты рассчитывали согласно методике [16], используя полученные экспериментально величины 9.
Химическую структуру поверхности исходных и модифицированных пленок изучали методом рент-генофотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Спектры РФЭС получали с помощью прибора LAS — 3000 фирмы "Riber", оснащенного полусферическим анализатором с задерживающим потенциалом OPX—150. Для возбуждения фотоэлектронов использовали рентгеновское излучение алюминиевого анода (ALK"a = 1486.6 эВ) при напряжении на трубке 12 кВ и токе эмиссии 20 мА. Положение пиков калибровали по стандартному пику C1S (284.6 эВ) [17, 18]. Атомные концентрации элементов рассчитывали по стандартным формулам с использованием площадей фотоэлектронных пиков и коэффициентов элементной чувствительности, взятых из [19].
Микрофотографии поверхности получали на растровом электронном микроскопе JSM-5300LV фирмы "Jeol" при напряжении 20 кВ и увеличении х1000.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате обработки в плазме наблюдается существенное уменьшение краевого угла смачивания как для обработанных пленок из смеси, так и для пленочных образцов исходных компонентов (табл. 1). Эти данные согласуется с известными из литературы и полученными для исходных РЬЬА и хитозана, модифицированных в плазме в различных газовых средах [7, 20—22].
Краевые углы смачивания исходного образца смесевой композиции, определенные по двум рабочим жидкостям, соответствуют значениям 9, полученным для необработанной пленки на основе РЬЬА, что указывает на обогащение поверхностного слоя полилактидными цепями. Это может быть связано с методикой формования пленочных образцов из смеси хитозан/РЬЬА/ желатина, которая в органических растворителях образует стабильные коллоидные мицеллоподоб-ные дисперсии со средним размером агрегатов 400—800 нм согласно данным динамического светорассеяния.
Согласно данным 1нЯМР-спектроскопии [6] для агрегатов сополимера хитозан/РЬЬА в CDClз, полученных без добавления в реакционную смесь желатины, характерна структура ядро-оболочка. Основные протонные пики спектров соотносятся с сигналами полилактидных цепей, но не разрешаются так хорошо, как в спектрах РЬЬА. Таким образом, полисахаридные звенья составляют ядро наномикродисперсий в органических растворителях, а привитые полилактидные цепочки образуют стабилизирующую оболочку. Следовательно, при формовании пленки из органического растворителя поверхностный слой обогащается гомополиме-рами РЬЬА и привитыми боковыми цепями по-
Таблица 1. Влияние обработки в плазме на поверхностные характеристики исследованных образцов
Образец 9, град. Жа, мДж/м2 у, мДж/м2
По воде По глицерину По воде По глицерину У Ур 7й
ХПЖ исходный 76 73 90.4 79.8 28.1 20.8 7.3
обработан на катоде 22 66 140.3 89.2 131.1 126.4 4.7
36
на аноде 10 144.5 114.7 81.9 78.0 3.9
РЬЬА исходный 75 71 91.6 84.0 29.0 18.0 11.0
обработан на катоде 11 56 144.3 98.9 115.3 114.5 0.8
3.6
на аноде 12 37 144.0 114.0 81.7 78.1
Хитозан исхо дный 68 61 100.1 94.1 35.4 19.0 16.4
обработан на катоде 32 24 134.5 121.3 62.2 41.9 20.3
66.8
на аноде 24 10 139.3 125.8 44.7 22.1
Желатина исхо дный 63 69 105.9 86.1 42.0 38.7 3.3
обработан на катоде 21 42 140.8 110.5 79.4 76.5 2.9
76.0 68.6
на аноде 13 30 143.7 118.3 7.4
лилактида. Подобная структура, по-видимому, характерна и для пленок, полученных с добавлением желатины.
Обработка пленок из ХПЖ как на катоде, так и на аноде приводит к значительному уменьшению краевых углов смачивания по воде вплоть до полного растекания, в то время как снижение 9 по глицерину варьируется в пределах 9—50% от исходного значения. Для
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.