СВЕРХКРИТИЧЕСКАЯ ФЛЮИДНАЯ ОБРАБОТКА ТРЕХМЕРНЫХ ГИДРОГЕЛЕВЫХ МАТРИКСОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ПРОИЗВОДНЫХ ХИТОЗАНА

Цель. Контролируемая обработка физико-химических и механических свойств трехмерных сшитых матриц на основе реакционно-способного хитозана. Материалы и методы. Из фоточувствительной композиции на основе аллилхитозана (5 масс.%), диакрилата полиэтиленоксида (8 масс.%) и фотоинициатора Irgacure 2959 (1 масс.%) провели формирование трехмерных матриксов на установке лазерного стереолитографа. Для структур в основной и солевой формах хитозана с использованием весового метода построены кинетические кривые набухания, измерены краевые углы смачивания методом растекающейся капли. Модифицирование матриксов проводили на установке сверхкритического флюида (40 °С, 12 МПа) в течение 1,5 часа. С помощью нанотвердомера Nano Indenter Piuma рассчитывали значения модуля Юнга. Исследование цитотоксичности проводили методом прямого контакта образцов с культурой фибробластов мыши клеточной линии NIH 3T3. Результаты. Архитектоника матриксов полностью повторяет заданную программой модель, матриксы однородны по всему объему и сохраняют свою форму после перевода в основную форму. Обработка матриксов в среде сверхкритического диоксида углерода (скСО2 ) приводит к их сжатию на 5%. Рассчитанный модуль упругости матриксов после обработки в среде скСО2 в 4 раза выше, чем для исходного матрикса. Кривые набухания матриксов имеют схожий вид, при этом для матриксов в основной форме максимальная степень набухания в 2–2,5 раза больше, чем для матриксов в солевой форме. Перевод материала в основную форму приводит к гидрофобизации поверхности: контактный угол смачивания равен 94°, для солевой формы равен 66°. Поглощение жидкости основной формой происходит примерно в 1,6 раза быстрее. Толщина пленок на участке контакта с жидкостью после поглощения образцом капли увеличилась на 133 и 87% для основной и солевой форм соответственно. Обработка образцов в среде скСО2 приводит к снижению их цитотоксичности со 2-й степени реакции (исходные образцы) до 1-й. Заключение. Использование сверхкритического диоксида углерода для сформированных матриксов позволяет улучшить биосовместимость применяемого материала на 1 степень и повысить модуль упругости материала более чем в 3 раза. Аллилхитозан в процессе лазерной фотополимеризации образует устойчивые трехмерные сетки, что дает возможность десорбировать токсичный низкомолекулярный компонент без разрушения структуры матрикса.

1. Биосовместимые материалы (учебное пособие). Под ред. В.И. Севастьянова и М.П. Кирпичникова. М.: МИА, 2011: 544 с. Biosovmestimye materialy (uchebnoe posobie). Pod red. V.I. Sevast’yanova i M.P. Kirpichnikova. M.: MIA, 2011: 544 s.

2. Kim IY, Seo SJ, Moon HS, Yoo MK, Park IY, Kim BC et al. Chitosan and its derivatives for tissue engineering applications. Biotechnology advances. 2008; 26 (1): 1–21. doi: 10.1016/j.biotechadv.2007.07.009.

3. Stella JA, D’Amore A, Wagner WR, Sacks MS. On the biomechanical function of scaffolds for engineering load-bearing soft tissues. Acta biomaterialia. 2010; 6 (7): 2365–2381. doi: 10.1016/j.actbio.2010.01.001.

4. Chen G, Ushida T, Tateishi T. Scaffold design for tissue engineering. Macromolecular Bioscience. 2002; 2 (2): 67– 77. doi: 10.1002/1616-5195(20020201)2:23.0.CO;2-F.

5. Волошин АИ, Шехтер АБ, Попов ВК. Тканевая реакция на акриловые пластмассы, модифицированные сверхкритической экстракцией двуокисью углерода. Стоматология. 1998; 4: 4–9. Voloshin AI, Shehter AB, Popov VK. Tkanevaja reakcija na akrilovye plastmassy, modifi cirovannye sverhkriticheskoj jekstrakciej dvuokis’ju ugleroda. Stomatologija. 1998; 4: 4–9.

6. Huang GP, Shanmugasundaram S, Masih P, Pandya D, Amara S, Collins G et al. An investigation of common crosslinking agents on the stability of electrospun collagen scaffolds. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2015; 103 (2): 762–771. doi: 10.1002/ jbm.a.35222.

7. Martínez A, Blanco MD, Davidenko N, Cameron RE et al. Tailoring chitosan/collagen scaffolds for tissue engineering: Effect of composition and different crosslinking agents on scaffold properties. Carbohydrate polymers. 2015; 132: 606–619. doi: 10.1016/j.carbpol.2015.06.084.

8. Глыбочко ПВ, Аляев ЮГ, Шехтер АБ, Винаров АЗ, Истранов ЛП, Истранова ЕВ и др. Экспериментальное обоснование создания гибридной матрицы и тканеинженерной конструкции на основе сетки из полигликолида и реконструированного коллагена с целью последующей заместительной уретропластики. Урология. 2015; 6: 5–13. Glybochko PV, Alyaev YuG, Shekhter AB, Vinarov AZ, Istranov LP, Istranova EV i dr. Ehksperimental’noe obosnovanie sozdaniya gibridnoj matricy i tkaneinzhenernoj konstrukcii na osnove setki iz poliglikolida i rekonstruirovannogo kollagena s cel’yu posleduyushchej zamestitel’noj uretroplastiki. Urologiya. 2015; 6: 5–13.

9. Kufelt O, El-Tamer A, Sehring C, Schlie-Wolter S, Chichkov BN. Hyaluronic acid based materials for scaffolding via two-photon polymerization. Biomacromolecules. 2014; 15 (2): 650–659. doi: 10.1021/bm401712q.

10. Wang C, Lau TT, Loh WL, Su K, Wang DA. Cytocompatibility study of a natural biomaterial crosslinker – Genipin with therapeutic model cells. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 2011; 97 (1): 58–65. doi: 10.1002/jbm.b.31786.

11. Поляков М, Баграташвили ВН. Сверхкритические среды: растворители для экологически чистой химии. Журнал Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. 1999; 43 (2): 93–99. Poljakov M, Bagratashvili VN. Sverhkriticheskie sredy: rastvoriteli dlja jekologicheski chistoj himii. Zhurnal Ros. him. ob-va im. D.I. Mendeleeva. 1999; 43 (2): 93–99.

12. Zhang J, Davis TA, Matthews MA, Drews MJ, LaBerge M, An YH. Sterilization using high-pressure carbon dioxide. The Journal of Supercritical Fluids. 2006; 38 (3): 354–372. doi: 10.1016/j.supfl u.2005.05.005.

13. Tayton E, Purcell M, Aarvold A, Smith JO, Kalra S, Briscoe A et al. Supercritical CO2 fl uid-foaming of polymers to increase porosity: A method to improve the mechanical and biocompatibility characteristics for use as a potential alternative to allografts in impaction bone grafting? Acta biomaterialia. 2012; 8 (5): 1918–1927. doi: 10.1016/j.actbio.2012.01.024. Epub 2012 Jan 24.

14. Akopova TA, Timashev PS, Demina TS, Bardakova KN, Minaev NV, Burdukovskii VF et al. Solid-state synthesis of unsaturated chitosan derivatives to design 3D structures through two-photon-induced polymerization. Mendeleev Communications. 2015; 25 (4): 280–282. doi: 10.1016/j.mencom.2015.07.017.

15. Timashev PS, Demina TS, Minaev NV, Bardakova KN, Koroleva AV, Kufelt OA et al. Fabrication of microstructured materials based on chitosan and its derivatives using two-photon polymerization. High Energy Chemistry. 2015; 49 (4): 300–303. doi: 10.1016/j.mencom.2015.07.017.

16. Тимашев ПС, Бардакова КН, Демина ТС, Пудовкина ГИ, Новиков ММ, Марков МА и др. Новый биосовместимый материал на основе модифицированного твердофазным методом хитозана для лазерной стереолитографии. Современные технологии в медицине. 2015; 7 (3). doi: 10.7868/S0023119315040178. Timashev PS, Bardakova KN, Demina TS, Pudovkina GI, Novikov MM, Markov MA i dr. Novyj biosovmestimyj material na osnove modifi cirovannogo tverdofaznym metodom hitozana dlya lazernoj stereolitografi i. Sovremennye tekhnologii v medicine. 2015; 7 (3).

17. Евсеев АВ, Марков МА, Панченко ВЯ, Якунин ВП. Способ отверждения фотополимеризующейся композиции на основе акрилового олигомера путем инициирования полимеризации в установках радиационного отверждения покрытий. Патент РФ № 2148060. 2000 Апр 27. Evseev AV, Markov MA, Panchenko VYa, Yakunin VP. Sposob otverzhdeniya fotopolimerizuyushchejsya kompozicii na osnove akrilovogo oligomera putem iniciirovaniya polimerizacii v ustanovkah radiaci￾onnogo otverzhdeniya pokrytij. Patent RF № 2148060. 2000 Apr 27.

18. Timashev PS, Kotova SL, Glagolev NN, Aksenova NA, Solovieva AB, Bagratashvili VN. Cleaning of cantilevers for atomic force microscopy in supercritical carbon di oxide. Russian Journal of Physical Chemistry B. 2014; 8 (8): 1081–1086. ISSN 1990–7931.

19. Ernst Breel. Characterizing the micro-mechanical properties of immersed hydrogels by nanoindentation. Technical Report. January 2015. doi: 10.13140/2.1.3580.9606.

20. Yuehua Yuan, T. Randall Lee. Contact Angle and Wetting Properties. Surface Science Techniques. 2013; 51: 3–34.

21. ГОСТ ISO 10993-5-2011 «Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 5. Исследования на цитотоксичность: методы in vitro». GOST ISO 10993-5-2011 «Izdeliya medicinskie. Ocenka biologicheskogo dejstviya medicinskih izdelij. Chast’ 5. Issledovaniya na citotoksichnost’: metody in vitro». International Standard ISO 10993. Biological evaluation of medical devices – Part 5: Tests for in vitro cytotoxicity.

22. Шишацкая ЕИ. Клеточные матриксы из резорбируемых полигидроксиалканоатов. Гены и клетки. 2007; 2 (2). Shishackaja EI. Kletochnye matriksy iz rezorbiruemyh poligidroksialkanoatov. Geny i kletki. 2007; 2 (2).

23. Popov VK, Evseev AV, Ivanov AL, Roginski VV, Volozhin AI, Howdle SM. Laser stereolithography and supercritical fl uid processing for custom-designed implant fabrication. J. Materials Science: Materials in Medicine. 2004; 15 (2): 123–128.