CC BY
414
Биоразлагаемый полимер полилактид
Термин «биодеградируемые» по отношению к высокомолекулярным соединениям стали активно использовать с конца ХХ ст., когда постоянно возрастающий объем промышленного производства синтетических полимеров достиг 200 млн т в год.
Крупнотоннажные синтетические полимеры (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат, поливинилхлорид) характеризуются высокой устойчивостью к воздействию таких факторов, как температура, солнечная радиация, вода, а также микроорганизмов и других биологических объектов. Поэтому актуальной стала проблема предотвращения загрязнения окружающей среды синтетическими полимерами, время разложения которых в естественных условиях значительно превышает продолжительность жизни человека. В отличие от них природные высокомолекулярные соединения, или биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, гликопротеиды, липопротеиды, липосахариды и др.), относительно быстро (от нескольких месяцев до нескольких лет) распадаются на простые химические соединения.
Дмитрий Белов,
ведущий научный сотрудник кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета БГУ, кандидат химических наук
Однако материалы из биополимеров не обладают таким широким спектром свойств, как изделия из синтетических полимеров, поэтому не способны в полной мере их заменить [1-4].
По этой причине усилилось внимание к синтетическим высокомолекулярным соединениям, которые, обладая достоинствами традиционных крупнотоннажных полимеров (в первую очередь термопластичностью, позволяющей легко их перерабатывать), могли бы так же быстро, как и биополимеры, распадаться под влиянием биологических факторов окружающей среды.
Наиболее перспективными синтетическими полимерами такого типа представляются алифатические полиэфиры на основе гидроксиалканкарбоно-вых кислот: полилактид, поли-гликолид, полигидроксибутират. Их свойства могут варьироваться в широких пределах, а способность к деструкции под воздействием различных факторов, в том числе биологических, может быть использована для создания новых материалов, представляющих интерес не только с позиций охраны окружающей среды, но и возможного применения в медицине.
Необходимо отметить, что четко проводится граница между биоинертными и так называемыми биоассимилируемыми полимера-
ми (оба типа предназначены для использования в восстановительной хирургии). Первые нужны для замены пораженных или утраченных тканей и органов живого организма и поэтому должны обладать настолько высокой устойчивостью к воздействию его сред, чтобы в течение длительного времени, сопоставимого с продолжительностью жизни человека, сохранять свои первоначальные характеристики при многократных деформациях. Биоассимилируемые полимеры используют, чтобы обеспечить функционирование органа на период регенерации тканей. Они должны иметь способность распадаться под влиянием жидких сред организма с образованием нетоксичных продуктов, ассимилируемых тканями, и последующим выведением их из организма. Скорость превращения твердых биоассими-лируемых полимеров в жидкие продукты распада под влиянием биологической среды должна соответствовать скорости регенерации тканей организма и составлять при протезировании мягких тканей - несколько недель, костных -несколько месяцев.
Следовательно, биоассимиляция может считаться частным случаем биодеградации, поскольку предполагает усвоение продуктов деструкции тканями организма с последующим выведением их из него, тогда
Тема номера
Рис. 1.
Схема протекания
деструкции
синтетических
биодегради-
руемых
полимеров
о х
X
5
X
как биодеградация (разрушение под влиянием биологических продуктов) может происходить и вне организма.
Значение биодеградируемых полимеров в последнее время возросло еще и потому, что, в отличие от биоинертных крупнотоннажных синтетических полимеров, промышленный выпуск которых базируется на нефтехимическом сырье (его запасы истощаются, а цена увеличивается), они могут быть получены на основе растительных ресурсов, возобновляемых как минимум ежегодно. Для их производства можно использовать полисахариды, которые извлекают не только из растений, но и из других источников, в том числе из бытовых отходов. В таком случае снижается острота проблем, связанных с выделением парниковых газов в атмосферу.
Сырьевой базой для выпуска полилактида являются возобновляемые природные источники растительного происхождения -углеводы, которые в процессе ферментации под воздействием молочнокислых бактерий превращаются в 2-гидроксипропио-новую (молочную) кислоту. При синтезе полилактидов в качестве мономеров используются различные стереоизомеры как молочной кислоты, так и ее циклических диэфиров (лактидов). При ее непосредственной поликонденсации образуются низкомолекулярные олигомеры. Получение высокомолекулярной полимолочной кислоты осложнено протеканием побочных реакций. Поэтому для промышленного производства полилактидов с достаточно высо-
кой молекулярной массой обычно используют не непосредственную поликонденсацию молочной кислоты, а каталитическую полимеризацию ее циклических диэфиров [1, 2].
Наряду с гомополимера-ми лактидов синтезируются и их сополимеры, в том числе с е-капролактоном и гликолидом. Создание амфифильных блоксо-полимеров полилактидов послужило толчком к разработке новых лекарственных форм, поскольку макромолекулы, содержащие гидрофобные и гидрофильные фрагменты, способны формировать так называемые мицеллярные микроконтейнеры (микросферы) для различного рода лекарственных веществ. Для их производства используют также биодеградиру-емые гидрогели.
Для получения биодегради-руемых полимеров с регулируемой гидро- и липофильностью синтезированы полилактиды с модифицированными концевыми группами, а также гидроксилсо-держащие полилактиды со звездообразными дендримерами на основе полиамидоамина. Благодаря введению в состав полимерной матрицы неорганических веществ можно также регулировать физико-химические и механические свойства полилактида [5].
Перспективно создание биомедицинских изделий из синтетических биодеградируемых полимеров, имеющих высокие прочностные и эксплуатационные характеристики и отличающихся биосовместимостью. Однако такие материалы гидрофобны и обладают слабой афинностью к клеткам. Эти недостатки могут
быть устранены при разработке сополимеров синтетических биодеградируемых полимеров и природных высокомолекулярных соединений (декстран, хитозан), проявляющих хорошую клеточную адгезию. Сополимер поли-лактида с гепарином подходит для создания изделий, контактирующих с кровью, поскольку значительно снижается риск тромбообразования. Для получения гидрофильных биодеградиру-емых синтетических полимеров синтезированы сополимеры поли-лактида с полиэтиленоксидом.
При использовании в медицине изделия из полилактидов подвергаются влиянию биологической среды организма. Кроме того, для сохранения асептических условий их стерилизуют различными методами, в том числе воздействуя повышенной температурой или ионизирующим излучением. В связи с этим очень важно знать меру устойчивости полилактидов к воздействию различных факторов, приводящих к деструкции макромолекул, таких как нагревание, ионизирующее излучение, а также биологических сред организма или моделирующих их жидкостей.
Как известно, переработка и использование полимеров при высоких температурах осложняются процессами термоокислительной деструкции. Для получения изделий из полилактида применяются разные способы, наиболее часто - основанные на переработке полимера при повышенной температуре, например литье под давлением, экструзия, выдувание, приготовление пленок из расплава [1, 2, 4, 6].
Исследования процессов переработки показали, что молекулярная масса полилактидов, подвергшихся литью под давлением или экструзии, снижается. Однако интенсивные процессы деструкции, сопровождающиеся потерей массы, начинаются при температурах гораздо выше температуры плавления. Кроме того, существуют методы стабилизации полилактидов, препятствующие деструкции полимера в расплаве.
При действии ионизирующего излучения на полилактиды могут протекать различные радиационно-химические превращения. Основной эффект воздействия Y-излучения - разрыв макромолекулярной цепи по радикальному механизму, где важнейшую роль играет эффект клетки, в результате же накапливаются радиационные дефекты в аморфной области. Деструкция цепи ведет к изменению физико-химических характеристик, в том числе к ухудшению эксплуатационных свойств материалов. Таким образом, применение Y-излуче-ния в качестве стерилизующего агента оправданно для высокомолекулярных полилактидов, для которых падение молекулярной массы не столь велико и, следовательно, не сильно сказывается на эксплуатационных характеристиках полимера [1, 7].
Важнейшая особенность полилактида - способность к безопасной деструкции под воздействием факторов окружающей среды. Продукты распада представляют собой естественные метаболиты, которые могут безопасно перерабатываться в одно-и многоклеточных организмах. Установлено, что полилактиды разрушаются как в аэробных, так и в анаэробных условиях, а скорость этого процесса определяет температура. Согласно экспериментальным данным, биодеструкция синтетических биодеградиру-емых полимеров, в том числе полилактидов, протекает в несколько этапов (рис. 1). Сначала происходит гидролитический распад макромолекул, а затем мономеры и олигомеры перерабатываются в биогенные органические соединения: кислоты, спирты и другие, которые, в свою очередь, на последней стадии процесса превращаются в углекислый газ и воду.
В целом процесс деструкции полилактида в водной среде зависит от большого количества параметров, в том числе от величин молекулярной массы, стереохимического состава, упорядоченности, кристалличности.
Для установления закономерностей его протекания под воздействием биологических факторов применяются два метода: in vivo и in vitro [1, 2, 8].
Метод in vivo заключается в том, что образец помещается в живой организм. При этом используются различные виды лабораторных животных в зависимости от типа изделий и места имплантации: при изучении пленок - мелкие животные (крысы, мыши), более крупных предметов (пластинок, винтов) -кролики. На конечных стадиях анализа, когда требуется выявить изменение эксплуатационных характеристик и отработать методики имплантации и фиксации изделия, проводят испытания на биологических объектах, сходных по размерам с человеком (собаках, овцах, приматах). После извлечения полимерного образца и его изучения можно сказать, как воздействует организм на помещенный в него объект и к каким последствиям это приводит. Однако у данного метода есть недостатки: во-первых, необходимость использования (и, возможно, последующего умерщвления) лабораторных животных, во-вторых, невозможность выделить один из действующих в комплексе факторов для более полного анализа процесса и его моделирования [2, 9].
Для опытов in vitro применяют искусственно созданные или полученные из биологических источников системы, способные в той или иной мере воссоздавать внутреннюю среду организма. Существует также несколько различных видов аппаратурного оформления опыта: система может периодически обновляться (динамическая модель) или оставаться постоянной на протяжении всего срока эксперимента (стационарная модель). В исследованиях процесса распада полилактида in vitro общепринятой является модельная система в виде фосфатного буфера с определенным значением pH, соответствующим pH крови. Было сделано заключение, что гидролиз полилактида
в данной модельной системе протекает вследствие само- или автокаталитического эффекта концевых карбоксильных групп его молекул.
Анализируя производство и использование биоразлагаемых полимеров в мировом масштабе, можно сделать вывод, что эта сфера находится в стадии бурного роста. Многочисленные публикации научного экономического и познавательного характера дают понять, что на данном этапе биодеградируемые высокомолекулярные соединения начинают все более широко применяться во многих сферах деятельности человека, прежде всего медицине, фармацевтике, технологиях экологической безопасности. Вместе с тем остается масса нерешенных проблем, неизбежных при внедрении качественно новых технологий и продуктов. В связи с этим крайне важно воплощать в жизнь инновационные проекты такого направления, поскольку улучшение качества жизни людей, сохранение и щадящее использование природных ресурсов - первостепенные задачи для страны и человечества в целом.
Литература
1. Garlotta D. A literature review of poly(lactic acid) // J. Polym. Environ. 2001. Vol. 9, №2. P. 63-84.
2. Jacobsen S. Polylactide - Biologisch abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen für neue Anwendungen // Wechselwirkungen, Jahrbuch. 2000. S. 53-64.
3. Белов Д.А., Бычкова А.Н., Климовцова И.А. Биодегра-дируемые композиционные материалы медицинского назначения на основе d,l - полилактида // Материалы, технологии, инструменты. 2006. Т. 1, №1. С. 71-74.
4. Duda A., Penczek S. Polilaktyd [poli(kwas mlekowy)]: synteza, wlasciwosci i zastosowania // Polimery. 2003. T. 48, №1. S. 16-27.
5. Krul L.P., Volozhyn A.I., Belov D.A. [et al.]. Nanocomposites based on poly-D,L-lactide and multiwall carbon nanotubes // Biomolecular Engineering. 2006. Vol. 23, №1. P. 77-88.
6. Agarwal M., Koelling K.W., Chalmers J.J. Characterization of the degradation of polylactic acid polymer in a solid substrate environment // Biotechnol. Program. 1998. Vol. 14. P. 517-526.
7. Белов Д.А.Влияние процессов радиационной и гидролитической деструкции на фазовые и релаксационные переходы в поли-L- и поли^-лактидах // Вес. Нац. акад. навук Беларуа. Сер. хм. навук. 2010. №1. С. 40-43.
8. Krul L.P., Belov D.A., Butovskaja G.V. [et al.] Poly-D,L-lactide destruction in vivo and in vitro // International Symposium «Biomaterials» and 29th «Hamburger Makromoleculares Symposium». Abstracts. - Hamburg, 2006. P. 88.
9. Leensiag J.W. [et al.] Resorbable materials of poly(L-lactide). In vivo and in vitro degradation // Biomaterials. 1987. Vol. 8. P. 311-314.
О X X
5
X
