Результат интеллектуальной деятельности: СУПЕРГИДРОФИЛЬНАЯ ПОЛИДИОКСАНОНОВАЯ ПЛЕНКА

Эта заявка является частичным продолжением заявки на приоритет согласно пункту 35 §120 Свода законов США с серийным номером 12/871745, поданной 30 августа 2010 г., и частичным продолжением заявки с серийным номером 13/340331, поданной 29 декабря 2011 г., которые обе считаются полностью включенными в данное описание посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к структурам, основанным на полимерах, конфигурация и механические свойства которых придают им супергидрофильность.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Биоматериалы используются все чаще для замещения тканей как при заменах сустава, так и в искусственных органах. Интеграция тканей с этими биоматериалами улучшает отдаленную биосовместимость этих устройств, при этом требуется определенная адгезия эукариоцитов или их совместимость, а также возможность химической интеграции с поверхностью имплантата. Между тем в процессе, охарактеризованном как «схватка за поверхность», бактериальные клетки входят в конкуренцию с тканевыми клетками за первенство в колонизации поверхностей этих биоматериалов. Если бактериальные клетки преуспевают в колонизации поверхности имплантата, то это может привести к изнуряющей инфекции, которая может потребовать хирургического вмешательства, или даже к сепсису и смерти, особенно у пациентов с подавленным иммунитетом.

В статье «Biomaterial-Centered Infection: Microbial Adhesion Versus Tissue Integration», Anthony G. Gristina, Science, том 237, стр. 1588-1595 (1987), автор обсуждает детали биологического сродства и адгезии к имплантатам, выполненным из различных биоматериалов, и делает вывод, что оптимальный механизм предупреждения бактериальной инфекции - это создание поверхностей из биоматериалов, которые будут стимулировать быструю колонизацию эукариоцитов на этих поверхностях, что означало бы использование преимуществ естественной антибактериальной защиты, вырабатываемой живыми клетками, прикрепленными к поверхности.

По-прежнему сохраняется необходимость в структурах на полимерной основе, обладающих свойством повышенной абсорбции биологических продуктов, таких как белки. Такие структуры могут использоваться в различных областях применения, таких как медицина, например при проведении медицинской диагностики. Существует особая потребность в разработке структур, чьи поверхности обладают свойством особой, тонко налаженной абсорбции биологических веществ.

Патент США № 5246451 описывает сосудистый протез, изготовленный путем нанесения покрытия на материал сосудистого трансплантата, такой как полиэтилентерефталатная плазма с фторполимерным (ПТФЭ) покрытием, которое впоследствии проходит обработку плазмой в атмосфере неполимеризующего газа, например кислорода, для повышения связующих свойств фторполимера по отношению к биологическим организмам. Описанные изделия основываются на обработке плазмой для повышения свойств связывания с белком и имеют недостаток модифицированной рельефности.

Патент США № 7 195 872 повествует об изготовлении подложек с высокой удельной поверхностью, обладающей конструктивными микросвойствами, которые открывают доступ к содержащимся в них жидкостям и компонентам. Такие подложки могут быть получены путем применения технологий литья, штамповки, а также технологий, основанных на фоторезистах, а также могут подвергаться травлению, например аргоном, кислородом, гелием, хлорином, газами SF₆, CF₄ и C₄F₈. Поверхности можно модифицировать химической или радиоактивной обработкой, например обработкой плазмы в газовой среде. В упомянутом документе акцент сделан на рельефности для связывания белков или, наоборот, на дополнительной обработке кислородной плазмой для травления поверхности и аммиачной плазмой для прививки аминогрупп на поверхности.

Публикация патента США № 2006/0154063 описывает композитную нановолоконную конструкцию, содержащую по меньшей мере первое нановолокно, содержащее по меньшей мере полимер и по меньшей мере наночастицы солей кальция, в котором соотношение полимера к наночастицам солей кальция находится в пределах от 99:1 до 10:90 весовых процентов; по меньшей мере второе нановолокно, содержащее по меньшей мере полимер и по меньшей мере наночастицы солей кальция, в котором соотношение полимера к наночастицам солей кальция находится в пределах от 100:0 до 70:30 весовых процентов. Гидрофильность наночастиц усиливается после обработки плазмой, что ведет к хорошей адгезии и росту клеток.

Публикация патента США № 2008/0241512 описывает способ послойного вакуумного осаждения материалов с целью обеспечения супергидрофильных или супергидрофобных свойств поверхности или их сочетания в различных местах данной поверхности. Изобретение также относится к электронным устройствам, использующим супергидрофобные свойства поверхности, и к биологическим устройствам, использующим супергидрофильные свойства поверхности.

Желательно обеспечить высокую гидрофильность поверхности структуры без отдельного этапа обработки последней с целью повышения ее гидрофильности.

Следовательно, существует необходимость в смачиваемых, основанных на полимерах структурах по существу с фиксированной рельефностью, которые обладают свойством контролируемой абсорбции биологических продуктов, например белков, которое достигается путем регулирования свойств подложки для получения рельефности увеличенной площади поверхности, связанной с поверхностной абсорбцией биологического вещества или пропорциональной ей.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к полидиоксаноновой пленке, содержащей по существу цилиндрические полидиоксаноновые столбики по меньшей мере с одной из сторон; указанные столбики имеют диаметр примерно от 0,6 до 3 мкм и высоту примерно до 20 мкм от поверхности пленки.

В другом варианте осуществления изобретение относится к процессу адсорбции белков, содержащему пропускание раствора белка через полидиоксаноновую пленку, содержащую по существу цилиндрические полидиоксаноновые столбики по меньшей мере с одной из сторон; указанные столбики имеют диаметры примерно от 0,6 до 3 мкм и высоту примерно до 20 мкм от поверхности пленки.

В еще одном варианте осуществления изобретение относится к медицинскому имплантату, содержащему полидиоксаноновую пленку, содержащую по существу цилиндрические полидиоксаноновые столбики по меньшей мере с одной из сторон; указанные столбики имеют диаметры примерно от 0,2 до 3 мкм и высоту примерно до 20 мкм от поверхности пленки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 представлена сканирующая электронная микрофотография супергидрофильной пленки из ПДО, имеющей столбики в 3 микрометра, выступающие из поверхности пленки.

На фиг. 2 представлена сканирующая электронная микрофотография супергидрофильной пленки из ПДО, имеющей столбики в 1 микрометр, выступающие из поверхности пленки.

На фиг. 3 представлена сканирующая электронная микрофотография супергидрофильной пленки из ПДО, имеющей столбики в 0,6 микрометра, выступающие из поверхности пленки.

На фиг. 4 представлен сравнительный график уровня абсорбции белка (фибриногена) при различных вариантах осуществления изобретения по сравнению с обычной пленкой.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Данное изобретение относится к пленке из полидиоксанона (ПДО) с большим относительным удлинением (БОУ), имеющей микроструктуры на поверхности, которые обладают супергидрофильными характеристиками смачивания и которым исходно присущ статический краевой угол смачиваемости менее 10°. Было обнаружено, что супергидрофильная природа этих структур усиливает биологические свойства, в частности абсорбцию белка на описываемых поверхностях.

Материалы настоящего изобретения могут оказаться полезными в различных областях применения, которые основываются на биологической абсорбции, например абсорбции белков, в том числе при проведении диагностических исследований и в других медицинских приложениях, таких как приспособления для анастамоза, трансплантаты, сосудистые протезы, имплантаты мягких тканей.

Биологические продукты для целей настоящего изобретения включают в себя сахара, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, полинуклеотиды или сложные комбинации этих веществ, так же как и живые организмы, такие как клетки и ткани. Биологические продукты могут быть отделены от разнообразия природных источников (людей, животных, микроорганизмов) и производиться с помощью биотехнологических способов и других технологий. В ряде случаев биологические продукты могут быть получены небиологическими, химическими способами. Биологические продукты включают в себя широкий спектр продуктов медицинской деятельности, таких как вакцины, кровь и компоненты крови, аллергены, соматические клетки, ткани для генной терапии и рекомбинантные лечебные белки, образованные в результате биологических процессов (в отличие от химии).

Биологический адсорбирующий продукт, например белок, изготовленный из полимера или содержащий полимер, может быть скомпонован в структуры, имеющие поверхность с увеличенной площадью. Структуры могут иметь специализированные геометрические особенности, в том числе подструктуры, например столбики диаметром от 0,1 до 50 микрон (100-50000 нм) и высотой более 1 микрона (>1000 нм), которые предоставляют площадь поверхности, превышающую площадь поверхности подложки, состоящей из плоских поверхностей. Абсорбируемость белков подложкой зависит не только от площади поверхности. В настоящее время уже известно, что для эффективного использования увеличенной площади поверхности подложки абсорбцию поверхности подложки, содержащей подструктуры, можно оптимизировать для повышения гидрофильности или смачиваемости. Полимерные структуры данного изобретения с желаемой высокой площадью поверхности демонстрируют улучшенную абсорбцию биологических продуктов даже без обработки поверхностей, например кислородной плазмой.

В одном аспекте данное изобретение относится к супергидрофильным структурам, имеющим поверхность из пленки ПДО, от которой отходят по существу цилиндрические выступы, напоминающие по виду столбики, и чьи выступы имеют достаточно маленький диаметр, чтобы обеспечивать абсорбцию естественных белков. Предпочтительно столбики имеют средний диаметр в диапазоне примерно от 0,1 до 3 микрометров, среднюю длину (или высоту) более чем примерно 1 микрометр и соотношение длины к диаметру примерно от 1 до 33. В более предпочтительном варианте столбики имеют средний диаметр в диапазоне примерно от 0,2 до 1 микрометра, среднюю длину более чем примерно 3 микрометра и соотношение длины к диаметру примерно от 2 до 30.

Предпочтительно столбики ПДО имеют средний диаметр в пределах примерно от 0,2 до 1 микрометра и высоту примерно от 2 до 20 микрометров от поверхности пленки ПДО. В частности, когда столбики ПДО имеют средний диаметр примерно от 0,6 до 1 микрометра и высоту примерно 20 микрометров от поверхности пленки ПДО, пленка обнаруживает супергидрофильность, т.е. статический угол смачиваемости капли воды оказывается меньше 10° при отсутствии любой обработки поверхности пленки или столбиков. Тем не менее такая обработка поверхности, как обработка кислородной плазмой, может быть проведена как вариант для усиления гидрофильности столбиков большего диаметра, таких как примерно 3 микрометра.

В другом варианте осуществления супергидрофильная структура целиком отливается из полимера ПДО, являющегося термопластичным. Под целиком отлитой понимается структура, сформованная как одна деталь, включая отходящие от нее выступы. Для целей настоящего изобретения термопластичный полимер представляет собой полимер, который размягчается при нагревании и вновь затвердевает при охлаждении.

В еще одном варианте осуществления поверхность супергидрофильной структуры по существу плоская и столбики находятся под углом в пределах +45 градусов по отношению к плоской поверхности, предпочтительно в пределах +30 градусов по отношению к плоской поверхности.

В другом варианте осуществления супергидрофильная структура имеет плотность столбиков в пределах примерно от 1×10⁵ примерно до 6×10⁸ столбиков на см². Для целей настоящего изобретения «плотность столбиков» может быть описана как количество столбиков на квадратный сантиметр супергидрофильной поверхности структуры. Например, супергидрофильная структура имеет плотность столбиков на поверхности в диапазоне примерно от 1×10⁷ до 5×10⁷ столбиков на см².

В уже другом варианте осуществления супергидрофильная структура имеет адсорбционную способность по белку примерно от 2,5 до 6,0 мкг/см² или примерно от 4,0 до 6,0 мкг/см² поверхности пленки.

Супергидрофильная структура данного изобретения может быть по меньшей мере частично сформирована путем нано- или микроформования с использованием штампа, полимерной самосборки, литографии и травления.

В другом варианте осуществления изобретение относится к процессу адсорбции белков, содержащему пропускание раствора белка через полидиоксаноновую пленку, содержащую по существу цилиндрические полидиоксаноновые столбики по меньшей мере на одной из сторон; указанные столбики имеют диаметры примерно от 0,2 до 3 мкм и высоту примерно от 2 до 20 мкм от поверхности пленки. Как вариант, столбики обрабатываются кислородной плазмой для повышения содержания кислорода в столбиках по сравнению с необработанными полидиоксаноновыми столбиками.

В еще одном варианте осуществления изобретение относится к медицинскому устройству, содержащему полидиоксаноновую пленку, содержащую по существу цилиндрические полидиоксаноновые столбики по меньшей мере на одной из сторон; указанные столбики имеют диаметры примерно от 0,2 до 3 мкм и высоту примерно от 2 до 20 мкм от поверхности пленки. Медицинские устройства могут включать медицинские имплантаты, например устройства для анастомозов и пересадок, устройства для сосудистого протезирования и имплантаты мягких тканей.

Способ подготовки супергидрофильной структуры содержит: a) обеспечение формы с углублениями или порами, растворимой в специфическом растворителе; b) обеспечение подачи в форму плавкого полимера из ПДО в условиях, обеспечивающих заполнение углублений формы полимером; указанный полимер является по существу нерастворимым в специфическом растворителе; c) обработку формы и полимера стадии b) в той мере, которая достаточна по существу для затвердевания полимера; d) воздействие на форму и полимер специфическим растворителем в условиях, обеспечивающих растворение формы, с получением формованного полимерного материала субстрата, содержащего выступы или столбики, соответствующие углублениям или порам формы. Данный аспект не обязательно дополнительно содержит по меньшей мере одно из следующих условий:

i) где плавкий полимер помещают в форму в виде размягченной пленки;

ii) где форма содержит поликарбонат, полимер содержит полидиоксанон и растворитель представляет собой дихлорметан;

iii) где стадию b) осуществляют во время первого и второго этапа, причем второй этап выполняют при большем давлении.

В одном варианте осуществления первый этап выполняют при температуре в диапазоне от 90 до 110°C и давлении в диапазоне приблизительно от 0 до 20 кПа (приблизительно от 0 до 0,2 бара) в течение 7–12 минут и второй этап выполняют при температуре в диапазоне от 90 до 110°C и давлении в диапазоне приблизительно от 6 до 20 кПа (приблизительно от 0,06 до 0,2 бара) в течение 15–25 минут.

Как вариант, с целью дальнейшего повышения гидрофильности полидиоксаноновые столбики и поверхность пленки могут быть обработаны кислородной плазмой при мощностях от 50 до 150 Вт и продолжительности от 15 до 45 секунд или мощностях от 75 до 125 Вт и продолжительности от 25 до 35 секунд.

Дополнительное разъяснение настоящего изобретения представлено в нижеследующем описании со ссылками на рисунки, которыми иллюстрируются, но не ограничиваются различные варианты осуществления изобретения.

Пример 1

Подготовили полидиоксаноновую пленку толщиной 100 микрометров со столбикообразными структурами с обеих сторон. Полидиоксаноновую пленку прессовали при нагревании и давлении между двумя пластинами из поликарбонатного фильтрующего материала толщиной 20 микрометров. В фильтрующем материале имеются микроскопические (0,8 микрометра) отверстия. Полидиоксаноновую пленку расплавляли и заливали в отверстия. После обработки пластину отжигали. Поликарбонатный мембранный фильтр затем растворяли в емкости с дихлорметаном. Используемые мембранные фильтры (0,8 микрометра ATTP, кат. № ATTP14250, партия № R9SN70958, поставляются компанией Millipore Corporation, г. Биллерика, штат Массачусетс, США) имеют две отличающиеся стороны. Одна сторона блестящая, другая - более матовая. Многослойный материал для компрессионного формования изготавливали следующим образом.

a. Отрезок полиимидной пленки (поставляемой под торговым названием KAPTON компанией DuPont, г. Уилмингтон, штат Делавэр) толщиной 65-70 микрометров помещали на стол.

b. На полиимидную пленку помещали отполированную квадратную металлическую пластину размером 15,2 см (6 дюймов) (толщиной 0,8 мм) блестящей стороной вверх.

c. На пластину размером 15,2 см (6 дюймов) помещали отрезок полиимидной пленки.

d. На пленку помещали стальную прокладку размером 15,2×15,2 см (6×6 дюймов) ×80 микрометров с полостью в центре размером 10,1×10,1 см (4×4 дюйма).

e. Мембранный фильтр обрезали до размеров полости в прокладке и помещали (матовой стороной вверх) на полиимидную пленку.

f. Отрезок полидиоксаноновой пленки толщиной 25 микрометров обрезали по размерам полости в прокладке. Образец помещали на мембрану.

g. Другой мембранный фильтр (толщиной приблизительно 20 микрометров) обрезали по размерам полости в прокладке и помещали (матовой стороной вниз) на полидиоксаноновую пленку.

h. На верхнюю мембрану помещали сегмент полиимидной пленки.

I. На полиимидную пленку помещали отполированную квадратную металлическую пластину размером 15,2 см (6 дюймов) (толщиной 0,8 мм) блестящей стороной вниз.

j. Другой сегмент полиимидной пленки помещали на стальную пластину.

Полученный образец загружали в нагретый пресс в условиях вакуума (менее 150 микрометров ртутного столба) и обрабатывали следующим образом.

a. Верхнюю и нижнюю плиты предварительно нагрели до 220°C (428°F).

b. Перед любым прессованием образец предварительно нагревали в условиях вакуума в течение 300 секунд.

c. Образец прессовали при 68 948 кПа (10 000 фунтов на кв. дюйм) в течение 300 секунд.

d. Температуру уменьшали до 21°C (70°F) при сохранении прессующего давления на уровне 68 948 кПа (10 000 фунтов на кв. дюйм).

e. Сбрасывали сжимающее усилие и устраняли вакуум.

f. Образец извлекали из вакуумного пресса.

Образец отжигали в зажатом состоянии (между двумя стальными пластинами) в печи в инертных условиях (в присутствии азота) в течение минимум шести часов при 70°C.

Поликарбонатная мембрана была сплавлена с поверхностью полидиоксаноновой пленки. Мембрану удаляли с поверхности полидиоксаноновой пленки путем погружения образца в емкость с дихлорметаном при комнатной температуре на пять минут, перед дальнейшими действиями полученный образец высушивали на воздухе. Изображения образца со сканирующего электронного микроскопа (SEM) подтвердили наличие столбикообразных структур высотой приблизительно 20 микрометров и диаметром 0,8 микрометра.

Пример 2

Полидиоксаноновые столбики диаметром 0,6; 1 и 3 микрометра и высотой 20 микрометров были созданы на полидиоксаноновой пленке в основном способами, описанными в примере 1, с использованием общедоступных протравленных поликарбонатных мембран в качестве формы и процесса наноимпринтинга. Мембраны с порами диаметром 0,6 и 1 микрометр, оформленные в виде кружков диаметром 4,5 см и толщиной 20 микрометров, были получены от Whatman, Florham Park, штат Нью-Джерси. Мембраны с порами диаметром 3 микрометра, выполненные в виде кружков диаметром 4,5 см и толщиной 20 микрометров, были получены от Millipore Corporation, Биллерика, штат Массачусетс, США. Мембраны использовались как формы для печатания на полидиоксаноновой полимерной пленке толщиной 0,3 миллиметра, стойкой к растворителям и получаемой от Ethicon, Inc., Соммервиль, штат Нью-Джерси, США. Полидиоксаноновую пленку запрессовывали в шаблоны поликарбонатной мембраны при высокой температуре и высоком давлении (120°C, 6000 кПа (60 бар)) на 5 минут, расплавляя полидиоксанон. Полидиоксаноновые пленки с впечатанной поликарбонатной мембраной помещались между двумя металлическими пластинами и отжигались 3 часа при 70°C. Полимерные структуры отделялись от формы и освобождались путем растворения поликарбонатной мембраны в дихлорметане. Пленки погружались последовательно в две ванны с дихлорметаном на 5 минут в каждую и затем высушивались на воздухе.

Изображения образцов со сканирующего электронного микроскопа (SEM) подтвердили наличие столбикообразных структур высотой приблизительно 20 микрометров. На фиг. 1, 2 и 3 представлены изображения со сканирующего электронного микроскопа столбиков БОУ (Большого относительного удлинения) диаметрами 3, 1 и 0,6 мкм соответственно.

Удельная поверхность этих структур в два с лишним раза больше, чем соответствующий показатель обычной пленки, как показано далее в таблице 1.

Поверхности полидиоксаноновых пленок были обработаны кислородной плазмой с помощью плазменной микроволновой установки (100 Вт, 30 секунд). Поверхность пленки ПДО подвергли анализу для определения содержания кислорода на поверхности пленки до обработки кислородной плазмой и после нее. Результаты представлены ниже в таблице 2.

Статические измерения краевого угла смачивания, называемые в настоящем документе «измерения краевого угла смачивания», проводились способом покоящейся капли. Применялся угломер Рэйм-Харта с программным обеспечением Drop Image. Обработка плазмой проводилась непосредственно перед измерением краевого угла смачивания. 2 капли дистиллированной воды объемом 1 микролитр поместили на поверхность для проведения измерений. Для каждой поверхности измерения проводились 5 раз. Средние значения краевых углов смачивания представлены в таблице 3.

Столбики диаметрами 0,6 и 1 микрометр были смачиваемыми даже без обработки кислородной плазмой. Краевой угол смачивания полидиоксаноновых поверхностей со столбиками диаметром 3 мкм был немного больше, чем у обычной пленки. Обработка кислородной плазмой увеличивала смачиваемость как обычной пленки, так и пленки со столбиками диаметром 3 мкм.

Свойство поглощения или абсорбции белков этих образцов было определено выдерживанием образцов в растворе белка и проведением анализов с использованием бицинхониновой кислоты. Пленки нарезались на куски 1×1 см и выдерживались в 1 мл раствора белка фибриногена (2 мг/мл в физиологическом растворе с фосфатным буфером) в герметичной 24-ячеечной пластине на протяжении ночи (18 часов) при встряхивании с вращением. После выдерживания в растворе белка пленки извлекли из ячеек и промыли в 3 следующих друг за другом ванночках с физиологическим раствором с фосфатным буфером и сразу же после этого подвергли количественной оценке с применением пробирных анализов с использованием бицинхониновой кислоты.

Пробирный анализ с использованием бицинхониновой кислоты проводился следующим образом. Были подготовлены эталоны белков с применением эталона альбумина бычьей сыворотки, входящего в комплект для проведения пробирного анализа с использованием бицинхониновой кислоты (набор QuantiPro BCA kit производства компании Sigma Aldrich). Промытые пленки поместили в ячейки 24-ячеечной пластины, вмещающей 500 микролитров физиологического раствора с фосфатным буфером и 500 микролитров реагента бицинхониновой кислоты (изготовленного по инструкции к набору). Для эталонов белка 500 микролитров эталонного раствора белка поместили в ячейку с 500 микролитрами реагента бицинхониновой кислоты. Пластину герметизировали и закрыли от света и выдерживали при орбитальном встряхивании 50 об/мин на протяжении 2 часов при температуре 37°C. После выдерживания 200 микролитров раствора переместили в ячейки 96-ячеечной пластины для показаний оптической плотности при 562 нм.

Повышение уровня абсорбции фибриногена наблюдалось по мере увеличения площадей поверхности образца. Эта тенденция отмечалась как для образцов необработанной, так и для обработанной плазмой поверхности со столбиками БОУ в силу того, что оба обнаруживали схожие показатели краевых углов смачивания. Эта тенденция отмечалась для фибриногена, как показано на фиг. 4.

Все патенты, тестовые процедуры и прочие документы, цитированные в настоящем документе, в том числе документы о приоритетах, полностью включены в настоящий документ путем ссылки в той мере, в которой раскрытие их содержания не является неприемлемым, и для всех сфер юрисдикции, в которых такое включение является допустимым.

Если в настоящем документе указываются числовые значения верхних и нижних пределов, предусматриваются диапазоны от любого нижнего предела до любого верхнего предела.

Несмотря на данное описание изобретения, становится ясным, что оно может иметь много вариаций. Эти вариации не должны рассматриваться как отход от духа и пределов изобретения. Все эти модификации, как это будет ясно специалистам этой области, будут описаны в рамках данной заявки.