ВЗАИМОПРОНИКАЮЩИЕ СЕТКИ НА ОСНОВЕ АКРИЛОВОГО ГИДРОГЕЛЯ И ГИАЛУРОНАТА НАТРИЯ

Носенко Татьяна Николаевна; Ситникова Вера Евгеньевна; Успенская Майя Валерьевна

УДК 678.744.322

Nosenko Tatiana N., Sitnikova Vera E., Uspenskaya Maya V.

INTERPENETRATING NETS BASED ON ACRYLIC HYDROGEL AND SODIUM HYALURONATE

ITMO University, Kronverkskiypr-t, 49, St. Petersburg, 197101, Russia. e-mail: [email protected]

In the study, new composite hydrogels based on interpenetrating networks of a copolymer of acryiic acid / acryiamide and sodium hyaluronate were obtained. The duration of the onset ofgeiation, as well as the adsorption and thermal characteristics of composite hydrogel materials depending on the polysaccharide concentration, were studied. It was shown that an increase in the concentration of sodium hyaluronate to more than 0.1 wt.% leads to a decrease in the duration of the onset ofgeiation by 2 to 4 times in comparison with unfilled hydrogel material. The kinetic parameters of sorption were calculated: diffusion coefficient, Fick grid parameter, and the rate constant of swelling. It was shown that during the sorption of the solvent - water - with polymer materials anomalous diffusion is observed. A decrease in sorption characteristics and an increase in a thermal stabHty of new composite hydrogels based on interpenetrating networks were demonstrated.

Keywords: Hydrogel, hyaluronat Na, interpenetrating polymer networks, radical polymerization, sorption, duration ofthe onset ofgeiation, sorption kinetics.

Введение

В последнее время все большее внимание уделяется редко-сшитым полиэлектролитам - полимерным гидрогелям,как биосовместимым материалам, хорошо воспроизводящим свойства высокогидратиро-ванных тканей организма [1].

Идеальный биоматериал должен удовлетворять определенным требованиям, таким как,заданные механические параметры, биосовместимость, отсут-ствиедеградациии устойчивость к физиологическим средам, при отсутствии неблагоприятных явлений в месте его имплантации [2,3]. Благодарябыстрой полимеризации и биосовместимости мономеры акриламид и акриловая кислота широко используются для получения гидрогелей медицинского назначения [4].

Гидрогели представляют собой гидрофильные трехмерные сетки, образованные химическими или физическими связями [5]. Акриловые гидрогели при-влекаютособое внимание как превосходные мягкие и влагосодержащие материалы,которые благодаря их способности впитывать воду в количестве в сотни раз превышающем исходнуюмассу, приобретаютсходство с естественным внеклеточным матриксом [6-8]. Однако,

Носенко Татьяна Николаевна, Ситникова Вера Евгеньевна, Успенская Майя Валерьевна

ВЗАИМОПРОНИКАЮЩИЕ СЕТКИ НА ОСНОВЕ АКРИЛОВОГО ГИДРОГЕЛЯ И ГИАЛУРОНАТА НАТРИЯ

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Кронверкский пр-т, 49, Санкт-Петербург, 197101, Россия. e-mail: [email protected]

В работе получены новые композиционные гидрогели на основе взаимопроникающих сеток сополимера акриловой кислоть//акриламида и гиалуроната натрия. Изучено время начала гелеобразования, и термические характеристики композиционных гидрогелевых материалов в зависимости от концентрации полисахарида. Показано, что увеличение концентрации гиалуроната натрия более 0,1 мас.% приводит к уменьшению времени начала гелеобразования в 2-4 раза по сравнению с ненаполненным гидрогелевым материалом. Рассчитаны кинетические параметры сорбции: коэффициент диффузии, параметр сетки по Фику и константа скорости набухания. Показано, что в процессе сорбции растворителя - воды, полученными полимерными материалами наблюдается аномальная диффузия. Продемонстрировано снижение сорбционных характеристик и повышение термической стабильности новых композиционных гидрогелей на основе взаимопроникающих сеток.

Ключевые слова: гидрогель, гиалуронат натрия, взаимопроникающие полимерные сетки, радикальная полимеризация, сорбция, время начала гелеобразования, кинетика сорбции.

Дата поступления - 9 сентября 2019 года

вместе с тем,акриловые гидрогели, состоящие из одной полимерной сетки, обладают недостаточными механическими характеристиками для широкого практического использования [2,9]. По этой причине использование таких материалов было ограничено конкретными областями интересов, такими как доставка лекарств и водопоглощение - сорбция, где механические свойства не являются основными необходимыми параметрами системы в целом.

Существует несколько подходов повышения прочностных параметров полимерных материалов: введение наполнителей или модификация полимерной матрицы [3, 10]. Смешение двух полимеров или полимерных систем стало общим подходом для разработки нового класса биоматериалов, демонстрирующих комбинации свойств, которые недостижимы при использовании отдельных полимеров [11]. В частности, смеси синтетических и натуральных полимеров позволяют получать композиционные материалы, которые объединяют широкий спектр физико-химических свойств синтетических полимеров, а также биосовместимость, безопасность и предотвращение побочных эффектов при имплантацииприродных полимеров [12-14].

Взаимопроникающие полимерные сетки (ВПС) представляют собой смеси двух сшитых полимеров, независимо от того какая природа сшивки, химическая или физическая. Если один полимер сшит, а другой является линейным, структура называется полу-ВПС [15]. Материалы на основе взаимопроникающих полимерных сетокявляются предпочтительными в ряде биотехнологических и биомедицинских применений из-за их уникальных биофизических свойств, таких как простота изготовления различных геометрических форм; эластичность; минимальное механическое раздражение окружающих тканей; высокая устойчивость к биологическим жидкостям и т.д. [16]. Структуры взаимопроникающих полимерных сеток также используются для контроля общей гидрофильности гидрогеля и кинетики высвобождения лекарственного средства [17].

В качестве одного из полисахаридов, широко используемых в биоинженерии, является гиалуроновая кислота или гиалуронан, представляющая собой линейный гликозаминогликан, состоящий из повторяющегося дисахаридного звена D-глюкуроновой кислоты и 1М-ацетил^-глюкозамина, связанных через чередующиеся р- (1 ^ 4) и р- (1 ^ 3) гликозидные связи. Гиа-луроновая кислота является одним из основных компонентов внеклеточного матрикса и присутствует в высоких концентрациях во всех соединительных тканях, таких как хрящ, стекловидное тело и синовиальные жидкости, где она выполняет структурные и смазывающие функции. Биологические функции гиалуро-новой кислотыдостаточно широко исследовались, и огромный интерес к гиалуроновой кислоте обусловлен, прежде всего, еебиосовместимостью и способностью взаимодействовать со специфическими клеточными рецепторами, которые могут распознавать и связывать гиалуроновую кислоту избирательно. Многочисленные производные гиалуроновой кислоты используются для восстановления тканей, заживления ран, лечения заболеваний суставов, доставки лекарств и в качестве основы для тканевой инженерии[18, 19].

Поэтому целью настоящей работы явилось получение композитных гидрогелей на основе ВПС сополимера акриловой кислоты/акриламида и гиалуроната натрия для практических медицинских приложений.

Материалы и методы

В настоящем исследовании были получены серии гибридных гидрогелевых материалов на основе ВПСакриловая кислота/ акриламид (в соотношении 77:23)и гиалуроната натрия с концентрацией 0^1 мас.% методом радикальной полимеризации в водной среде при температуре 45 °С. В качестве сшивающего агента был использован - 1М,1М'-метиленбисакриламид с концентрацией 0,1 мас.% от массы мономеров [18]. В качестве инициатора в работе была использована окислительно-восстановительная система: персульфат аммония- тетраметилэтилендиамин. Акриловая кислота была предварительно нейтрализована гидроксидом натрия на 80%.

Исходными реагентами были акриловая кислота, акриламид, персульфат аммония производства ЗАО "Вектон", гидроксид натрия, АО «Ленреактив»,1М,1М'-метиленбисакриламид и тетраметилэтилендиаминпро-изводства фирмы «Sigma-Aldrich», гиалуронат натрия производства Bloomage Biotech (молекулярная масса 1.0 - 1.8 МДа).

Время начала гелеобразования измерялось для каждого полимерного образца по потере текучести материала[21].

Измерение степени набухания полимерных гидрогелевых образцов проводилось в дистиллированной воде при температуре 25 °С. Вес образца измерялся каждый час в течение первых 10 ч, далее один раз в сутки, до достижения 48 ч. Степень набухания определялась количеством жидкости, поглощенной 1 г сухого вещества по следующей формуле:

т-т0(1-у)

Q=-

(1)

т0(1-у) '

где << степень набухания гидрогеля, г/г; т - масса набухшего образца, г; т0 исходная масса образца геля, г; Y - влагосодержание образца геля, массовая доля [21].

Кинетика набухания оценивалась по коэффициенту диффузии Фика и константам скоростей набухания.

Расчет коэффициента диффузии проводился по следующей формуле:

Qt

= ktn,

(2)

где Qt и Qaf степень набухания и равновесная степень набухания полимерного материала,представленные количеством растворителя, диффундировавшем в гидрогель за время t и предельно возможным (т.е. по достижении равновесногосостояния системы), соответственно; k является константой, связанной со структурой полимерной сетки; показатель степени n является числом, определяющим тип диффузии. Данное уравнение применимо только к начальным стадиям набухания, то есть к увеличению массы гидрогеля до 60% (Qt / Qmax < 0,6; log (Qt / Qmax) < -0,22) [22].

Показатель степени n и константа k были получены путем построения зависимости в логарифмических координатах согласно уравнению (3) и обработке полученных кривых с помощью линейных функций:

log(^-)=logk + nlogt, (3)

Для определения констант скоростей набухания гидрогелевых полимерных материалов использовалась кинетическая модель сорбции псевдовторого порядка, а определение степени набухания в момент времени t в данной модели проводилось по следующей формуле:

Ут-, (4)

где к2 - константа скорости набухания модели псевдовторого порядка, (п(ммоль^мин)-1); I - время (мин). В данном случае возможно вычисление константы скорости сорбции без знания равновесной сорбционной емкости т. Когда процесс сорбции хорошо описывается моделью псевдовторого порядка, то полученные экспериментальные данные, построенные в координатах (/<</), укладываются в линейную зависимость, из которой по тангенсу угла наклона и свободному члену можно определить (<тах и к2 [23].

Термическая деструкция композитов была исследована с помощью термогравиметрического анализатора TG 209 Р1 иЬгаМЕТ7БСН. Константы скорости испарения воды и энергии активации испарения рассчитывались по методу Райха-Фуосса [24].

Результаты и обсуждения

В ходе работы были синтезированы композиционные гидрогели на основе ВПС сополимера акриловой кислоты/акриламида и гиалуроната натрия с кон-

центрацией в диапазоне 0,01-1,0мас.%. На рис. 1 представлена зависимость времени начала гелеобра-зования от концентрации гиалуроната натрия в реакционной смеси. Как видно из рис. 1 увеличение доли гиалуроната натрия более 0,1 мас.% приводит уменьшению времени начала гелеобразования в 2-4 раза по сравнению с ненаполненным образцом, что связано с увеличением активности акриловых мономеров в радикальной полимеризации за счет уменьшения электростатического отталкивания между растущим макрорадикалом и ионизированным мономером.

В области низких концентраций гиалуроната натрия (менее 0,1 мас.%) значения времени начала гелеобразования увеличивается до 1,5 раз, в отличие от не наполненных, что вероятнее всего объясняется, резким увеличением вязкости реакционного раствора и уменьшением доли активных радикалов.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Концентрация гиалуроната натрия в композите, % мае. Рис.1.Зависимость времени начала гелеобразования для гид-рогелевых композитов на основе ВПСс различнойконцентра-циейгиалуроната натрия.

Таблица 1.Сорбционны/е характеристики композиционных гидрогелей на основе ВПС

№ п/п Конц. гиалуроната№, мас.% п к к2, г(ммоль^мин)"1 Отах,г/г

1 0 0,76 0,012 3,2440"5 155 32,17

2 0,01 0,68 0,024 1,7^10"4 125 41,44

3 0,03 0,56 0,065 4,0 •10-4 130 39,63

4 0,05 0,75 0,018 2,5 •Ю-4 150 37,48

5 0,1 0,70 0,025 5,7^10-4 135 46,95

6 0,5 0,73 0,017 1,2^10"4 125 40,67

7 1 0,66 0,025 2,240"4 120 41,21

В таблице 1 представлены некоторые сорбци-онные характеристики полученных композитов, на основе ВПС: равновесная степень набухания ^тах) в дистиллированной воде при 25 °С, коэффициент диффузии Фика (п), характеризующий кинетический механизм диффузии; параметр сетки по Фику (к),связанный со структурой полимерной сетки, константа скорости набухания (к2)в зависимости от доли ГН и влагосодер-жания полученных образцов.

Для всех полученных новых композиционных гидрогелевых образцов на основе ВПС влагосодержа-ние находится в диапазоне 37-47%, что значительно больше данных значений для акриловых гидрогелей без гиалуроната N8 (в среднем влагосодержание составляет 25-35%).

Как видно из данных таблицы 1, значения п для композиционных гидрогелейна основе ВПС находится в интервале 0,5 <п< 1,0, что свидетельствует о том, что скорость набухания образцов в дистиллированной воде контролируется как диффузией внешнего раствора, так и релаксацией полимерныхсеток, так называемая,аномальная диффузия.

Увеличение доли гиалуроната натрия закономерно приводит к понижению значений равновесной степени набухания в дистиллированной воде на 10-20% (таблица 1), однако, следует заметить существенное увеличение скорости набухания материалов на начальной стадии процесса (константа скорости набухания на порядок увеличивается по сравнению с полимерным акриловым гидрогелем без гиалуроната натрия).

Хорошо известно, что макромолекулы гиалу-роната натрия обладают хорошими влагоудерживаю-щими свойствами, что должно существенным образом сказываться на термических характеристиках композиционных гидрогелей на основе ВПС. В ходе работы были изучены термические характеристики полученных полимерных материалов методом ТГА в зависимости от доли гиалуроната натрия в составе композита.

На рисунке 2 представлены ТГА кривые гидрогелей на основе акриловой кислоты и акриламида и ВПС с гиалуронатом натрия, а в таблице 2 представлены некоторые термические характеристики дегидратации: энергия активации (Еа) и константа скорости дегидратации (к), температура начала (Тисп) и максимума (Тмах) испарения воды.

Рис. 2. ТГА (а) и ДТГ кривые (б) гидрогеля на основе сополимера акриловой кислоты/ и акриламида (1), и гидрогелей на основеВПС с различным содержанием гиалуроната натрия, мас.%: 0,05 (2), 0,25 (3) и 1 (4).

Таблица 2. Термические параметры процесса дегидратации композитных гидрогелей на основе ВПС

№ № Концентрация гиалу-роната№, мас.% k, мин-1 Ea, кДж Т °г 1 ис^ г Т °г 1 мах, г

1 0 3,1-10-4 43,5 82,0 117

2 0,01 2,5,10"4 44,2 84,4 123

3 0,03 3,1-Ю"4 51,6 84,9 124

4 0,05 3,0'Ю"4 53,1 86,7 125

5 0,1 3,7'Ю"4 57,3 87,8 126

6 0,25 3,7'Ю"4 66,7 90,0 129,1

7 0,5 3,6'Ю"4 49,7 89,6 129,6

8 1% 3,6'Ю"4 80,7 89,5 131

Как видно из рисунка 2 и данных таблицы 2, увеличение концентрации гиалуроната натрия до 1 мас.% приводит к смещению температуры максимума пика испарения растворителя на 10-20 °С и на 4-5 °С начала процесса дегидратации в более высокотемпературную область, по сравнению с акриловым гидрогелем без ВПС, полученного при тех же самых условиях.

Первая ступень деградации полимерного композитного гидрогеля - испарение растворителя. Как видно из данных таблицы 2, наличие ВПС на основе гиалуроната^ приводит к росту в 1,5-2 раза энергии активации реакции дегидратации, что также свидетельствует о наличии прочно связанной воды в составе композита.

Выводы

Методом радикальной полимеризации в водной среде были получены композиционные гидрогели на основе взаимопроникающих сеток химической и физической природы сополимера акриловой кисло-ты/акриламида и гиалуроната натрия с концентрацией до 1 мас.%.

Показано, что введение дополнительной полимерной сетки физической природы за счет присутствия полисахарида приводит к снижению сорбцион-ных и повышению термических характеристик новых гидрогелевых композитов.

Кинетика набухания в дистиллированной воде полученных материалов описывается моделью реакции псевдовторого порядка.

Изучение термических характеристик новых композиционных материалов показало, что наличие физической сетки гиалуроната натрия в гидрогеле приводит к увеличению энергии активации дегидратации в 1,5-2 раза и увеличении температуры максимума испарения растворителя на 10-20 °С по сравнению с акриловым гидрогелем, при увеличении содержания полисахарида до 1 мас%.

Литература

1. El-Sherbiny Ibrahim M, and Magdi H. Yacoub. Hy-drogel Scaffolds for Tissue Engineering: Progress and Challenges // Global Cardiology Science & Practice. 2013. V. 3. P. 316-342. https://doi.org/10.5339/gcsp.2013.38

2. Freyman, T, Yannas, I., Gibson, L Cellular materials as porous scaffolds for tissue engineering. // Prog.Mater. Sci. 2001.V.46. P. 273-282.

3. San tin M, Huang SJ,Iannace S, Ambrosio L,Nicolais L and Peluso G. Synthesis and characterization of a new interpenetrated poly (2-hydroxyethylmethacrylate) - Gelatin composite polymer // Biomaterials. 1996. V. 17. P. 1459-1467.

4.Pu/at M. and Eksi H. Determination of swelling behavior and morphological properties of poly(acrylamide-co-itaconicacid) and poly(acrylic acid-co-itaconic acid) copolymeric hydrogels //Journal of Applied Polymer Sci-ence.2006. V.102. №6. P. 5994-5999.

5.Elvira C, Mano J.F., Roman J.S. and Reis R.L. Starch-based biodegradable hydrogels with potential biomedical applications as drug delivery systems //Biomaterials, 2002.V.23(9), P. 1955-1966.

6. D'Amora U,Ronca A. ,Raucci M.G., Lin H.,Soriente A., Fan Y,Zhang X. and Ambrosio L. Bioactive composites based on double network approach with tailored mechanical, physico-chemical, and biological features. // J. Bio-med. Mater.Res. A. 2018. V. 106. P. 3079-3089.

7. Peppas N.A. Hydrogels in medicine and pharmacy: properties and applications. Boca raton (USA):CRC press, 2019. 208p.

8. Park K,Shalaby W.S.W. and Park H. Biodegradable Hydrogels for Drug Delivery. Lancas-ter(USA):Technomic,1993. 262p.

9. Ratner B.D., Hoffman A.S. Synthetic hydrogels for biomedical applications. Chapter 1 in book Hydrogels for Medical and Related Applications. Washington (USA): ACS Symposium Series; American Chemical Society, 1976. P. 1-36.

10. Sionkowska A. Current research on the blends of natural and synthetic polymers as new biomaterials // Prog.Polym. Sci. 2011. V. 36. P. 1254-1276

11. Giusti P., Lazzeri L. andLelli L Bioartificial polymeric materials: A new method to design biomaterials by using both biological and synthetic polymers // Trends Polyme. Sci. 1993. V. 1. P. 261-267.

12. Cascone M.G. Dynamic-mechanical properties of bioartificial polymeric materials // Polym. Int. 1997. V.43. P.55-69.

13. Leclerc E, Furukawa K.S., Miyata F, Sakai Y, Ushida T. and Fujii T Fabrication of microstructures in photosensitive biodegradable polymers for tissue engineering applications // Biomaterials. 2004. V. 25. P. 46834690.

14. Gong J.P. Why are double network hydrogels so tough // Soft Matter. 2010. V. 6. P. 2583-2590.

15. Wang W. and Wang A. Synthesis and swelling properties of pH-sensitive semi-IPN superabsorbent hydrogels based on sodium alginate-g-poly(sodium acrylate) and polyvinylpyrrolidone //Carbohydrate Polymer. 2010. V.80. P. 1028-1036.

16. El-Sherbiny I.M, Lins RJ, Abdel-Bary E.M. and Harding D.R.K. Preparation, characterization, swelling and in vitrodrug release behaviour of poly[N-acryloylglycine-chitosan] interpolymeric pH and thermally-responsive hydrogels //European Polymer Journal. 2005. V.41. P. 25842591.

17. Bae Y.H. and Kim S.W. Hydrogel delivery systems based on polymer blends, block copolymers, and interpenetrating networks // Advanced Drug Delivery Re-views.1993. V.11.P. 109-135.

18. Вильданова Р.Р., Сигаева Н.Н., Куковинец О. С., Володина В. П., Спирихин Л. В., Зайдуллин И.С., Колесов С.В. Модификация гиалуроновой кислоты и хитозана с целью создания гидрогелей для офтальмологии // Журн. прикл. химии. 2014. Т. 87. № 10. С. 1500-1511.

19. Сигаева Н.Н., Колесов С.В, Назаров П.В, Вильданова Р.Р.Химическая модификация гиалуроновой кислоты и ее применение в медицине // Вестник Баш-кирскогоуниверситета. 2012. Т. 17. №3. С. 1220-1241.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

20. Байдакова М.В, Ситникова В.Е, Успенская М.В., Кременевская М.И., Соснина О.А, Лебедева Т.В. Методы синтеза и исследование свойств акриловых композитов на основе белкового наполнителя "биостим" // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. 2017.№4. С. 13-18.

21. Посыпайко В.И., Козырева Н.А., Логачева Ю.П. Химические методы анализа. М.: Высш.шк., 1989. 448 с.

22. Ситникова В.Е, Илич И, Гусев К.Г, Олехнович Р.О, Успенская М.В. Кинетика коллапса композитов наоснове сополимера акриловой кислоты и акрилами-да, наполненного бентонитом в водных растворах поливалентных металлов//Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 1. С. 39-45. doi: 10.17586/2226-14942017-17-1-39-45

23. Ho Y.S., McKay G. Kinetic models for the sorption of dye from aqueous solution by wood // Process Saf. Environ. Protect. 1998. V. 76B. P. 183-191.

24. Olekhnovich R.Q, Sitnikova V.E., Chereneva S.V., Volkova K.V., Beiukhichev E. V. Study of the kinetics of thermal degradation of polymer composites based on polyvinylchloride film and biopolymer filler // 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM-2018. June 30 - July 9 2018.Albena, Bulgaria. Sofia: STEF92 Technology Ltd., 2018. V. 18. No. 4.1. P. 651-658.

References

1. El-Sherbiny Ibrahim M, and Magdi H. Yacoub. Hydrogel Scaffolds for Tissue Engineering: Progress and Challenges // Global Cardiology Science & Practice. 2013. V. 3. P. 316-342. https://doi.org/10.5339/gcsp.2013.38

2. Freyman, T, Yannas, I., Gibson, L Cellular materials as porous scaffolds for tissue engineering. // Prog.Mater. Sci. 2001.V.46. P. 273-282.

3. San tin M, Huang SJ,Iannace S.,Ambrosio L.,Nicolais L and Peluso G. Synthesis and characterization of a new interpenetrated poly (2-hydroxyethylmethacrylate) - Gelatin composite polymer // Biomaterials. 1996. V. 17. P. 1459-1467.

4.Pulat M. and Eksi H. Determination of swelling behavior and morphological properties of poly(acrylamide-co-itaconicacid) and poly(acrylic acid-co-itaconic acid) copolymeric hydrogels //Journal of Applied Polymer Sci-ence.2006. V.102. №6. P. 5994-5999.

5.Elvira C, Mano J.F., Roman J.S. and Reis R.L. Starch-based biodegradable hydrogels with potential biomedical applications as drug delivery systems //Biomaterials, 2002.V.23(9), P. 1955-1966.

6. D'Amora U,,Ronca A. ,Raucci M.G., Lin H,Soriente A, Fan Y,,Zhang X. and Ambrosio L. Bioactive composites

based on double network approach with tailored mechanical, physico-chemical, and biological features. // J. Bio-med. Mater.Res. A. 2018. V. 106. P. 3079-3089.