Получение и исследование структуры и свойств нановолокнистой биополимерной матрицы на основе полигидроксибутирата и возможности его дальнейшего использования в медицинской практике

Аннотация: в данной работе рассмотрены возможности применения нановолокнистых материалов на основе природных полимеров в медицинской практике, а также вопросы замены синтетических полимерных материалов на биоразлагаемые аналоги в будущем.

Ключевые слова: биополимеры, полигидроксибутират, медицина, электроформование, нетканые материалы.

 

PREPARATION AND INVESTIGATION OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF A NANOFIBER BIOPOLYMERIC MATRIX BASED ON POLYHYDROXYBUTYRATE (PHB) AND ITS POSSIBILITY OF FUTHER USAGE IN MEDICINE

Abstract: This article considers the possibilities of using nanofiber materials based on natural polymers in medicine, and also considering the issue of replacing synthetic polymeric materials with biodegradable analogues in the future.

Key words: biopolymers, polyhydroxybutyrate, medicine, electrospinning, nonwoven fabric.

 

В настоящее время из полимеров изготавливается более трех тысяч различных видов медицинских изделий, начиная от аппаратуры и заканчивая биологически совместимыми эквивалентами различных тканей и органов человека. Однако специальных полимеров для применения в медицине выпускается крайне мало. К полимерам медицинского назначения предъявляются строгие требования: наличие необходимого комплекса физико-химических и механических свойств; высокая чистота и однородность материала; возможность переработки; отсутствие токсичного воздействия на живые организмы, как самих полимеров, так и их продуктов, способность выдерживать стерилизующую обработку. Также большое значение имеет стабильность структуры и свойств полимера и его биологическая безвредность.

Основные примеры синтетических полимерных материалов для медицины – это акрилаты, полиамиды, полиэфиры, силиконы. Основной недостаток – отсутствие биодеградации после использования, низкий срок службы. Проблему отсутствия биодеградации многотоннажных медицинских полимерных материалов частично решает использование полиаминокислот, полиангидридов, сополимеров лактидов (область применения которых ограничена вследствие низких физико-химических и механических характеристик). Ключевые преимущества биополимеров – уменьшение зависимости от невозобновляемых источников сырья; снижение угрозы загрязнения окружающей среды.

Методом ИК-спектроскопии были изучены маски 5 различных фирм, доступных в открытой продаже (за период июнь-сентябрь 2020 года). Было обнаружено, что в независимости от цвета, фактуры, типа резинок и спаек все маски, кроме одной (рис. 1. А) состояли только из полипропилена (рис. 1. Б). Даже если производителем было заявлено наличие «антибактериального компонента», «противовирусное действие», «повышенная проницаемость», никаких компонентов кроме полипропилена в составе не было обнаружено. Маска, приведенная на рис. 1. А, была изготовлена из Вискозы/Целлюлозы. Таким образом, была сформулирована цель работы: разработка нетканых материалов для биоразлагаемых, бактерицидных масок.

А

Б

     

Рис. 1. Фотографии обычных медицинских масок, которые присутствуют в продаже. Состав: А – Вискоза/Целлюлоза, Б – Полипропилен.

 

В результате экспериментального изучения биополимерных материалов была выявлена потребность в создании специальных материалов специфической структуры. Большой практический интерес представляет производство биополимерных медицинских материалов, полученных методом электроформования. Данные материалы в дальнейшем могут служить для производства изделий на основе волокон и нетканых полотен. В ходе исследовательской работы реализована цель: разработан метод получения наноструктурированного материала пригодного, как для изготовления лекарственных средств, так и для перевязочных, изолирующих, защитных материалов, и для специфических типов биорезорбируемых имплантов, удовлетворяющих требованиям контакта со внутренней средой организма человека, а также был создан нетканый биорезорбируемый материал с высокой способностью к биодеградации и исследована его структура и свойства.

Среди множества методов получения нетканых волокнистых материалов (3D-печать, вытягивание) особое место занимает электроформование. Оно обладает рядом важных преимуществ – простота, высокая энерго-эффективность, и разнообразие получаемых продуктов. Большое значение имеет возможность разработки способов и методов улучшения и модификации получаемых нетканых материалов, возможность варьировать их электрические, каталитические, механические, оптические, биомедицинские свойства, в то время как многие альтернативные методы значительно ограничены технологическими требованиями.

Полигидроксибутират – один из наиболее значимых представителей биоразлагаемых полимеров. Он разлагается, как только попадает под воздействие биологически активной среды, а также биосовместим с организмом человека.

Полимерные материалы, предназначенные для контакта с тканями человека, зачастую не обеспечивают никакого бактерицидного действия. Для придания им антибактериальных свойств мы использовали метод, основанный на модификации поверхности и введении в состав антимикробных агентов.

Волокна получали методом электроформования. Ультратонкие волокна были получены на основе ПГБ и полилактида.

20 мкм

Б

20 мкм

А

В

20 мкм

                               

Рис. 2. Микрофотографии нановолокнистой биополимерной матрицы. А – ПГБ + Zn-ТФП, Б – ПГБ + FeCl-ТФП, В – ПЛА + хитозан

 

Сами маски были двуслойными. Первый слой – ПГБ, второй же слой варьировался. В случае первой маски это был ПГБ с добавлением Порфирина с цинком (Рис.2. А), во второй – ПГБ с добавлением Порфирина с железом + озонид (Рис. 2. Б), третья же состояла из ПЛА с добавлением хитозана (Рис. 2. В). Далее два этих слоя спаивались между собой.

Были выбраны методы исследования позволяющие охарактеризовать структуры – микроскопия, механический анализ, ИК-спектроскопия, испытания на влагомере.

Был проведен механический анализ на растяжение, на аппарате для физико-механических испытаний, а так же оценка влагопоглощения на влагомере.

Как мы видим испытуемые материалы гораздо более хрупки на разрыв чем ПП, однако на опыте по влагопоглощению масса оставалась постоянной что сигнализирует нам о том, что структура нетканого материала не изменилась (не произошел гидролиз и не было никаких побочных реакций). Так же в подтверждение тому, что гидролиз не прошел были проведены измерения на микроскопе, где размер волокон не увеличивался и не уменьшался что соответствует сохранению химической структуры.

 

Табл.1. Данные механических испытаний и испытаний на влагомере.

№	Материал	Натяжение на разрыв, Н (Δ±0,05 Н)	Влагопоглощение, г (Δ±0,001 г)
			Масса до	Масса после
1	Полипропилен	40	0,0641	0,064
2	ПГБ + ZnТФП	3.1	0,0383	0,0382
3	ПГБ + FeClТФП	3,2	0,089	0,084
4	ПЛА + хитозан	5,22	0,0337	0,0335

Б

А

В

                         

График 1. Зависимость разрывной нагрузки от разрывного удлинения. А – ПГБ + Zn-ТФП, Б – ПГБ + FeCl-ТФП, В – ПЛА + хитозан.

 

В ходе работы было выявлено, что полипропиленовые маски (и их аналоги) непригодны для индивидуальной защиты: они не обладают бактерицидными свойствами, не защищают человека от бактерий как извне, так и изнутри и не являются биоразлагаемыми.

Наши же маски показали себя с лучшей стороны. Они не загрязняют окружающую среду так как являются биоразлагаемыми, успешно защищают человека от бактерий, так как имеют различные антимикробные и антибактериальные добавки. Не подвергаются гидролизу под действием воды и являются вполне устойчивой структурой для многократного использования.

Среди рассмотренных сочетаний биоразлагаемых материалов наиболее высокие эксплуатационные характеристики в сочетании с высокой противомикробной активностью показал комплекс ПГБ и FeCl-ТФП. Также следует отметить, что данная комбинация наиболее проста в изготовлении и может быть рекомендована в качестве биоразлагаемого аналога синтетических масок индивидуальной защиты. Применение нановолокнистого материала на основе ПГБ в сочетании с антимикробным комплексом может стать эффективной альтернативой синтетических полимерных материалов применяемых в производстве медицинских масок сегодня.

 

Список литературы

1. М. И. Штильман, А. В. Подкорытова, С. В. Немцев и др. / Технология полимеров медико-биологического назначения.: учебное пособие - 2-е изд. (эл.). - М.: Лаборатория знаний, 2016. - 331 c

2. В.Н. Канюков, А.Д. Стрекаловская, В.И. Килькинов, Н.В. Базарова / Материалы для современной медицины: Учебное пособие.– Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 113с.

3. Филатов, Ю.Н. / Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс). М.: Нефть и газ. – 1997. – 231 с.

4. K. P. Rajan, S. P. Thomas, A. Gopanna, M. Chavali /Polyhydroxybutyrate (PHB): A Standout Biopolymer for Environmental Sustainability. Handbook of Ecomaterials. – 2017. – P. 1–23.

 

Романова Е. Ю.

Щикальцова В.И.

Научный руководитель Платов Ю.Т.

(РЭУ им. Г.В. Плеханова)