Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения структурированных гидрогелей

Изобретение относится к материаловедению, а именно к методам получения гидрогелей с заданными механическими свойствами и архитектоникой, и может быть использовано, например, в области биомедицинского материаловедения для изготовления матриц-носителей клеток для регенеративной медицины.

Необходимость создания гидрогелей с заданными механическими свойствами и архитектоникой для регенеративной медицины обусловлена созданием замещающих трехмерных матриц-носителей клеток, содержащих биоактивные компоненты.

Хорошо известен способ получения гидрогелей заданной формы, основанный на полимеризации глутарового альдегида (см., например, http://chem21.info/info/369248/). Способ заключается в помещении глутарового альдегида в необходимую форму, разогреве формы с глутаровым альдегидом до 45-48°С и последующем охлаждении его до комнатной температуры, в результате чего происходит затвердение гидрогеля. С помощью известного способа можно из гидрогеля формировать различные объекты.

Основной недостаток известного способа заключается в том, что с его помощью невозможно сформировать структурированный с заданными архитектоникой и механическими свойствами гидрогель, поэтому этот способ не находит применения для изготовления матриц-носителей клеток для регенеративной медицины.

Указанного недостатка лишен наиболее близкий к заявляемому способ получения структурированных гидрогелей, основанный на лазерной стереолитографии (Тимашев П.С., Бардакова К.Н., Демина Т.С. и др. Новый биосовместимый материал на основе модифицированного твердофазным методом хитозана для лазерной стереолитографии // Современные технологии в медицине. 2015. Т. 7, №3. С. 20-31), основанный на инициировании локальных пространственных сшивок между реакционноспособными звеньями макромолекул под действием лазерного излучения в ультрафиолетовой области спектра. Известный способ включает послойное нанесение тонких слоев жидкой фотополимеризующейся композиции, с последующим формированием на каждом слое с помощью сканирования сфокусированного лазерного излучения в ультрафиолетовой области спектра структуры полимера заданной конфигурации, с последующей отмывкой непрореагирующего материала с использованием воды.

Известный способ позволяет создавать структуры заданной архитектоники на базе трехмерной компьютерной модели, которая может быть разработана с использованием как специального программного обеспечения, так и данных, полученных методами анализа пространственной структуры объекта in vivo, например MPT - данных дефектов тканей при создании соответствующих полимерных матриц-носителей клеток (Mankovich N.J., Samson D., Pratt W., Lew D., Beumer J. Surgical planning using three-dimensional imaging and computer modeling // Otolaryngologic Clinics of North America. 1994. V. 27. N. 5. P. 875-889).

Основной недостаток известного метода заключается в том, что получаемый по известному способу структурированный гидрогель является излишне мягким. Наши измерения показали, что такие структурированные гидрогели обладают низкими значениями модуля Юнга, не превышающими 10-30 кПа. А дополнительное удаление влаги из таких гидрогелей путем обычной сушки делает их излишне жесткими (модуль Юнга превышает 200 МПа). Как хорошо известно (Pereira, Т.F., Silva, М.А.С., Oliveira, М.F., Maia, I.A., Silva, J.V.L., Costa, M.F., & , R.M.S.M. Effect of process parameters on the properties of selective laser sintered Poly (3-hydroxybutyrate) scaffolds for bone tissue engineering // Virtual and Physical Prototyping. 2012. V. 7. N. 4. P. 275-285), оптимальным с точки зрения создания матриц-носителей клеток для регенеративной медицины являются материалы, модуль Юнга которых сопоставим с соответствующими значениями окружающих биологических тканей, что снижает толщину фиброзной капсулы, образующейся вокруг матрицы. Например, значения модуля Юнга нейрональных клеток лежат в диапазоне 60-90 кПа (Mirela Mustata, Ken Ritchie, Helen A. McNally, Neuronal elasticity as measured by atomic force microscopy // Journal of Neuroscience Methods. 2010. V. 186. P. 35-41).

Задача изобретения состоит в получении структурированных гидрогелей с заданными архитектоникой, модуль Юнга которых лежит в диапазоне 50-110 кПа.

Техническим результатом является создание способа получения гидрогелей с заданными механическими свойствами и архитектоникой.

Поставленная задача и достигаемый результат обеспечиваются применением способа получения структурированного гидрогеля, включающего формирование тонких слоев жидкой фотополимеризующейся композиции, содержащей 3 масс. % раствор аллилхитозана в 4% уксусной кислоте с добавлением 1 масс. % фотоинициатора Irgacure 2959 и 10 масс. % сшивающего агента полиэтиленгликольдиакрилата (ПЭГ-ДА) с молекулярной массой 500 Да, последующее структурирование композиции на лазерном стереолитографе с помощью сфокусированного лазерного излучения в УФ-области спектра. Затем производят отмывку непрореагировавшего материала с использованием воды и помещение структурированных гидрогелей в реактор высокого давления, куда в дальнейшем напускают углекислый газ под давлением 8 МПа и проводят нагрев реактора до температуры 40°С при повышении давления до 15 МПа и выдерживании системы при таких параметрах 3 часа.

Пример реализации разработанного способа.

В качестве структурированного гидрогеля использовались матрицы, полученные авторами по методике, описанной в работе (Тимашев П.С., Бардакова К.Н., Демина Т.С. и др. Новый биосовместимый материал на основе модифицированного твердофазным методом хитозана для лазерной стереолитографии // Современные технологии в медицине. 2015. Т. 7, №3. С. 20-31). Для приготовления фоточувствительной композиции использовали аллилхитозан, полученный методом твердофазного реакционного смешения хитозана и аллилбромида в условиях сдвигового деформирования. Готовили 3 масс. % раствор аллилхитозана в 4% уксусной кислоте (хитозан с высокой степенью кристалличности отделяли на центрифуге). Далее в смесь добавляли 1 масс. % фотоинициатора Irgacure 2959, перемешивание раствора производили в течение 2 часов. После вводили полиэтиленгликольдиакрилат (ПЭГ-ДА, молекулярная масса 500 Да, концентрация 10 масс. %). Композицию оставляли перемешиваться на сутки, после чего производили структурирование полученных матриксов на лазерном стереолитографе.

Для увеличения модуля Юнга полученные матриксы помещались в реактор высокого давления, куда в дальнейшем напускался углекислый газ до давления 8 мПа. Затем проводился нагрев реактора до температуры 40°С, при этом давление повышалось до 15 МПа. При таких параметрах система выдерживалась 3 часа, после чего углекислый газ выпускался из камеры, а полученные структурированные гидрогели с необходимым значением модуля Юнга извлекались.

Для оценки механических характеристик гидрогелей использовался наноиндентер (Piuma (Optic 11, Нидерлады)), позволяющий оценивать механические характеристики гидрогеля в пределах от 1 кПа до 500 МПа. Измерения проводили как в водной, так и воздушной среде. Спектроскопия комбинационного рассеяния использовалась для установления изменений в химическом составе структурированных гидрогелей после обработки углекислым газом в сверхкритическом состоянии.

На фиг. 1 представлены спектры комбинационного рассеяния исходного структурированного гидрогеля (1) и структурированного гидрогеля после обработки углекислым газом в сверхкритическом состоянии (2).

На фиг. 2 показаны полученные значения модуля Юнга исходного структурированного гидрогеля и структурированного гидрогеля после обработки углекислым газом в сверхкритическом состоянии. Показаны средние значения и стандартные отклонения.

Как видно из фиг. 1, спектр комбинационного рассеяния структурированного гидрогеля после обработки углекислым газом в сверхкритическом состоянии (2) качественно не отличается от исходного (1), что подтверждает неизменности химического состава структуры. Снижение интенсивности всех полос спектра комбинационного рассеяния связано с понижением концентрации низкомолекулярных несшитых фрагментов в процессе обработки в среде сверхкритического углекислого газа. Из фиг. 2 видно, что модуль Юнга структурированных гидрогелей после обработки углекислым газом в сверхкритическом состоянии в среднем увеличивается с 22±8 кПа до 82±31 кПа.

Достигнутое увеличение модуля Юнга структурированных гидрогелей с 22±8 кПа в исходном гидрогеле до 82±31 кПа после обработки диоксидом углерода при температуре 40°С и давлении 15 МПа в течение 3 часов произошло за счет понижения концентрации низкомолекулярных несшитых фрагментов, вымытых из матрицы в процессе обработки. Поскольку количество удаленных несшитых фрагментов зависит от параметров такой обработки (температуры, давления и времени), то варьируя эти параметры, можно для каждых конкретных гидрогелей подобрать диапазон оптимальных параметров для заданного увеличения модуля Юнга.

Таким образом, предложенный способ позволил достичь заявленных целей, а именно, получить структурированный гидрогель с заданной архитектоникой, модуль Юнга которого лежит в диапазоне 50-110 кПа.