Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор применяемых в медицине полимерных материалов и раневых покрытий и механизмов процесса пленкообразования из латексных дисперсий .
1.1. Применение полимерных материалов в медицинских целях. 10
1.2. Обзор современных раневых покрытий 21
1.3. Механизмы процесса пленкообразования из латексных дисперсий
Глава 2. Материалы и методы исследования. 43
2.1. Методы исследования взаимодействия фторсодержащего латекса с альгинатом натрия и метилцеллюлозои в растворах и приготовление композитных субстратов на их основе
2.2. Методы исследования надмолекулярной структуры и физикохимических характеристик субстратов
2.3. Культура клеток: экспериментальные среды, методы культивирования, подсчета, определения адгезионной, пролиферативной активности и жизнеспособности клеток
Глава 3. Исследование механизмов взаимодействия латекса с полисахаридами. Определение влияния концентрации и природы полисахарида на процессы структурообразования .
3.1. Изучение устойчивости латексов при добавлении анионных и неионогенных полисахаридов
3.2. Формирование пленок и исследование процессов структурообразования .
3.3. Исследование надмолекулярной структуры полимерных пленок, модифицированных полисахаридами
3.4. Изучение межмолекулярного взаимодействия полимеров в составе латекс-полисахаридных субстратов
Глава 4. Изучение влияния микроструктуры композитных материалов на характеристики, определяющие возможность их использования в качестве субстратов для роста клеток и раневых покрытий .
4.1. Исследование механических свойств композиционных материалов
4.2. Изучение сорбционной способности композитных материалов 80
4.3. Исследование проницаемости композитных субстратов для паровводы
4.4. Определение свободной энергии поверхности композитных пленок.
4.5. Определение выхода полисахаридов из биосинтетического субстрата.
4.6. Исследование влияния полисахаридов в растворе на поведение клеточных культур
4.7. Исследование адгезивной активности клеток на поверхности субстратов, содержащих полисахариды
4.8. Сравнение разработанных композитов с используемыми раневыми покрытиями
Заключение 104
Выводы 106
Список работ, опубликованных по материалам диссертации 107
Список цитируемой литературы
- Механизмы процесса пленкообразования из латексных дисперсий
- Методы исследования надмолекулярной структуры и физикохимических характеристик субстратов
- Формирование пленок и исследование процессов структурообразования
- Исследование проницаемости композитных субстратов для паровводы
Введение к работе
Последнее десятилетие характеризуется бурным развитием тканевой инженерии, нового направления, возникшего на стыке физики, химии и биологии. В рамках данного направления ведутся работы по созданию на основе природных и синтетических полимеров и клеток разных типов тканевых аналогов, призванных скомпенсировать утраченные функции отдельных органов или даже восстановить орган искусственно. Настоящая работа посвящена разработке новых биоматериалов типа «искусственная кожа», предназначенных для закрытия ожогов, трофических и иссеченных поражений кожного покрова, а также обеспечения эффективного переноса клеточных пластов на раневую поверхность для стимулирования регенерации глубоких и труднозаживающих ран. Данные материалы представляют собой пленку, сформированную на основе синтетических и природных полимеров, защищающую раневую поверхность от проникновения бактерий, поддерживающую оптимальный паро- и газообмен и физиологическую влажность раны, а также создающую условия для обеспечения миграции клеток.
Несмотря на то, что в последние годы в мире появилось множество раневых покрытий, существенно ускоривших процесс заживления ожогов II - III А степени, для успешного заживления более серьезных ран (глубоких и обширных ожогов, трофических и радиационных язв) требуется применение клеточных культур. Следовательно, необходима разработка подложек, обеспечивающих атравматичный перенос клеточных пластов на рану. Т.о., в настоящее время наиболее актуальным направлением в области создания эффективных аппликаций на раны и ожоги является разработка композитных полимерных покрытий, обеспечивающих атравматичный перенос клеток и создающих оптимальные условия для заживления глубоких и обширных поражений кожи.
Существующие на сегодняшний день покрытия не пригодны для решения данной задачи. Это связано с тем, что существующие в настоящее время раневые покрытия созданы на основе либо синтетических полимеров, либо полимеров, полученных из биологических источников. Однако, синтетические полимеры, являясь хорошим механическим каркасом, не обладают необходимой биологической активностью для обеспечения адгезии клеток. Природные полимеры, обладая хорошей биологической активностью, не имеют достаточной механической прочности и отличаются высокой скоростью биодеградации. Т.о., для обеспечения адгезии клеток и оптимальных условий для миграции клеток и регенерации кожи необходимым становится создание композитных материалов, объединяющих достоинства природных и синтетических полимеров. При-
5 мером таких материалов стали появившиеся в последнее время композиционные материалы типа «сэндвич», в которых на полимерную синтетическую матрицу методом пошаговой модификации нанесен природный полимер (Магу С et al.,1998, U.Klinge et al.,2003). Эти материалы дорогостоящи, сложны в производстве, и, кроме того, входящий в их состав природный полимер при химическом связывании частично утрачивает свои биологические свойства.
Практически полное отсутствие композитных материалов на основе смесей синтетических и природных полимеров вызвано, прежде всего, объективными трудностями, возникающими при формировании композитных материалов, вследствие того, что синтетические полимеры обычно формируются из растворов в органических растворителях или из высокотемпературных расплавов, что абсолютно исключает смешивание их с природными компонентами. Кроме того, следует отметить недостаток фундаментальных исследований механизмов взаимодействия между синтетическими и природными полимерами, а также отсутствие данных о факторах, определяющих свойства материалов на микро и макроуровне и их взаимодействии с клетками. Это вызвано тем, что исследования в области разработки биоматериалов носят в основном прикладной характер и, возможно, связано с тем, что при решении прикладных задач разработки новых биоматериалов, разработчики не интересуются фундаментальными исследованиями процессов взаимодействия компонентов на микро и макроуровне.
Мы применили новый подход к созданию биосинтетических композиционных материалов, заключающийся в использовании водных дисперсий синтетического фтор-каучука, позволяющих вводить в состав полимерных пленочных материалов водные растворы биологически активных полимеров без нарушения их структурной и функциональной целостности.
Основу разработанных нами субстратов составляет сополимер винилиденфторида с гексафторпропиленом, химически инертный, обладающий высокой химической стабильностью и хорошими механическими характеристиками. При работе с его латекса-ми нет необходимости пользоваться токсичными растворителями. Но при этом сформированные на основе фторлатекса субстраты практически не набухают, имеют малую паропроницаемость, гидрофобны, не поддерживают адгезию и пролиферацию клеток млекопитающих, что является важным требованием, предъявляемым к современным биоматериалам.
Для гидрофилизации субстрата, т.к. именно с этой характеристикой связаны малая паропроницаемость и неадгезивность фторлатекса, в него были введены полисаха-
6 риды, т.к. именно эти молекулы являются компонентом, обеспечивающим взаимодействие с водой и гидратационное окружение клеток. Было решено изучить взаимодействие с латексом анионных и нейтральных полисахаридов. Исследование взаимодействия фторлатекса с положительно заряженными полисахаридами не проводилось, т.к. добавление к отрицательно заряженному латексу положительно заряженного полисахарида вызывало агрегацию латексно-полисахаридной дисперсии. Преимуществом полисаха-ридных материалов по сравнению с белковыми полимерами животного происхождения (коллагеном, желатином), является их доступность и неиммуногенность. Кроме того, известно что альгинаты оказывают заметное иммуномодулирующие действие, стимулируют фагоцитоз, восстанавливают активность клеточных рецепторов (В.В.М'ясоєдов, 2001). Входящая в состав альгинатов гулуроновая кислота является составной частью гликанов, которые играют особую роль во многих процессах жизнедеятельности клеток (J.Scott, 1989). Метилцеллюлоза служит субстратом для переноса клеток при травмах головного мозга и для культивирования различных типов клеток (M.Tate et al., 2001; de Silva, 2005; R.C. Ganassin 2000) и является ускорителем мускульной регенерации в периферийных нервных каналах (Мясников А.Д и др, 2003).
Цель данной работы заключалась в изучении механизмов взаимодействия полисахаридов с фторполимерным латексом на молекулярном и надмолекулярном уровне и исследовании связи структуры с физико-химическими характеристиками и биосовместимостью материала для разработки биоматериалов типа «искусственная кожа», способных кроме защитных функций обеспечить адгезию клеток и атравматичный перенос клеточных пластов на рану
В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи:
Исследовать взаимодействие фторсодержащего латекса с альгинатом натрия и метилцеллюлозой в растворах и в составе композитных пленочных материалов;
Изучить процесс структурообразования композитных материалов при разных концентрациях альгината натрия и метилцеллюлозы и различных условиях сушки;
3.Изучить влияние на эластические и прочностные свойства и характеристики поверхности композитных пленочных материалов процентного содержания альгината натрия и метилцеллюлозы;
4.0пределить зависимость сорбционной способности, паропроницаемости и устойчивости к растворению композитных пленочных материалов от процентного содержания альгината натрия и метилцеллюлозы;
Выявить влияние процентного содержания альгината натрия и метилцеллюлозы в составе композитных материалов на адгезию и рост субстратзависимых клеток млекопитающих.
Определить оптимальные концентрации полисахаридов и режимы формирования, при которых биоматериалы удовлетворяют основным физико-химическим требованиям, предъявляемым к раневым покрытиям, и позволяют проводить культивирование субстратзависимых клеток на их поверхности.
Основная трудность формирования пленок заключалась в чрезвычайной неустойчивости латексно-полисахаридной дисперсии. В процессе нашей работы было проведено исследование взаимодействия латекса с полисахаридами в растворах, в результате которых были построены фазовые диаграммы, на основании которых определены режимы агрегативной устойчивости системы. Найдены режимы сушки, при которых стало возможно формирование однородных цельных пленок с любым соотношением концентраций компонентов.
На основании проведенных исследований методами ИК- и рентгеновской спектроскопии, измерений механических характеристик образцов и данных об агрегативной устойчивости системы сделаны выводы о механизмах взаимодействия латекса с полисахаридами, предложена схема процесса формирования структуры полимерных пленок и механизмы влияния полисахаридных добавок на физико-химические характеристики биоматериалов. Для выявления связи микроструктуры с биоактивностью материала были проведены исследования адгезионных свойств поверхности полимерных пленок с различным содержанием полисахаридов. На основании вычисленных значений свободной энергии поверхности и данных по исследованию взаимодействия субстратзависимых клеток человека с поверхностью материала определены оптимальные концентрации полисахаридов, обеспечивающие адгезию и распластывание клеток на поверхности композитных пленок.
Исследование взаимодействия разработанных материалов с водным окружением позволило определить диапазоны концентрации полисахаридов, при которых композиционные материалы по своей сорбционной способности и паропроницаемости не уступают современным раневым покрытиям, например Omiderm и Op-Site.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения собственного экспериментального материала, выводов и библиографического списка использованной литературы.
В первой главе дан целенаправленный и обстоятельный обзор литературы, отно-
8 сящейся к двум основным темам: обзор применяемых в медицине полимерных материалов и раневых покрытий и механизмы процесса пленкообразования из латексных дисперсий. На основании обзора сформированы цель и задачи исследования.
Во второй, методической, главе детально описаны методики приготовления образцов и комплекс методов их изучения. Она включает описание техники приготовления полимерных субстратов. Изучение надмолекулярной структуры композитных материалов проводили методом рентгеноструктурного анализа. Изучение межмолекулярного взаимодействия полимеров в составе латекс-полисахаридных субстратов было проведено методом ИК-спектроскопии. Определение деформационно-прочностных свойств полимерной пленки проводили на универсальной испытательной машине. Определение краевых углов смачивания проводили путем анализа изображения капли, получаемого при помощи видеокамеры. Исследование взаимодействия полимеров с водным окружением проводили методом гравиметрии. В исследованиях были также применены стандартные методы работы с культурами клеток.
Третья глава данной работы посвящена исследованию взаимодействия фторсо-держащего латекса с альгинатом натрия и метилцеллюлозои в растворах и в составе композитных пленочных материалов. Описаны результаты, полученные при исследовании устойчивости латексов при добавлении анионных и неионогенных полисахаридов. Определены условия формирования пленок и исследованы процессы структурооб-разования. Представлены результаты анализа физико-химических характеристик пленок методами рентгеноструктурного анализа, ИК-спектроскопии.
Четвертая глава посвящена выявлению связи микроструктуры композитных материалов с физико-химическими характеристиками, определяющими функциональность биоматериала, как раневого покрытия и исследованию взаимодействия с клетками и оптимизации характеристик субстратов. На данном этапе работы методами гравиметрии было проведено исследование взаимодействия субстратов, модифицированных полисахаридами, с водным окружением, определены их деформационно-прочностные свойства, вычислены значения свободной энергии поверхности композитных пленочных материалов, исследовано влияния растворов полисахаридов на поведение клеточных культур, проведено определение композиционного состава субстрата, обеспечивающего адгезионную активность клеток человека. Кроме того, было проведено сравнение разработанных композитных материалов с современными раневыми покрытиями.
Можно отметить следующие основные результаты, представленные в диссерта-
9 ционной работе. На основе проведения физико-химических исследований и построения фазовой диаграммы предложена модель взаимодействия латекса с анионным (альгинат натрия) и неионогенным (метилцеллюлоза) полисахаридами. Впервые показано, что различие механизмов взаимодействия молекул заряженных и нейтральных полисахаридов с латексом приводит к различиям в структуре и физико-химических характеристиках композитных материалов.
Исследования, проведенные на молекулярном, надмолекулярном и клеточном уровнях, позволили выявить механизмы взаимодействия полимеров, связь структуры и физико-химических и биологических характеристик композитных материалов. Это является существенно новым подходом к решению фундаментальной задачи выявления взаимосвязи структуры и функций композитного материала на микро- и макроуровнях.
Проведенные исследования позволяют управлять физико-химическими и биологическими характеристиками композиционных материалов и проводить оптимизацию свойств раневых покрытий типа «искусственная кожа» в зависимости от вида раневого поражения.
Главным практическим результатом проведенных исследований явилась разработка на основе латекса СКФ-26 и альгината натрия /метшщеллюлозы новых биоматериалов типа «искусственная кожа». Данные материалы по своим физико-химическим характеристикам не уступают современным раневым покрытиям, а по способности поддерживать адгезию клеток существенно их превосходят.
Механизмы процесса пленкообразования из латексных дисперсий
Явным достоинством белковых материалов является отсутствие токсических и канцерогенных свойств, слабая антигенность, высокая устойчивость к тканевым ферментам, регулируемая скорость лизиса в организме, способность образовывать комплексы с биологически активными веществами, стимуляция регенерации собственных тканей организма. Но они нетехнологичны, имеют низкие механические свойства, обладают определенной иммуногенностью.
В последние годы в связи с распространением вирусных и тяжелых инфекционных заболеваний в развитых странах резко ужесточились требования к применению белков животного происхождения. Это стимулировало разработку материалов на основе биополимеров растительного происхождения, и, прежде всего альгинатов, получаемых из морских водорослей.
Преимуществом полисахаридных материалов по сравнению с белковыми являются доступность, наличие различных функциональных групп, неалергенность. Основные природные полисахариды, используемые в медицинских целях - это альгинаты, хитозаны и производные целлюлозы. Так как в нашей работе используются альгинат натрия и метилцеллюлоза, подробнее остановимся на их характеристике.
В настоящее время быстро развивается направление по использованию альгинатов для получения медицинских препаратов. Альгинат натрия является водорастворимым полианионитом и, поэтому, обладает биологической активностью (Haug А., 1964). Полианионы могут влиять на деятельность поглощающих клеток организма, с чем, вероятно, связана их антивирусная активность, которая позволяет рассматривать полианионы как перспективные компоненты противовирусных вакцин. Важной стороной активности полианионов является активация при их введении образования интерферонов - группы защитных белков, вырабатываемых клетками позвоночных. Альгинат натрия используется как иммобилизующий матрикс для клеток и ферментов, контролирующий высвобождение биоактивных веществ. (Peng Т, 1996; Smidsrod О, 1991, Sultzbaugh KJ,1996, Kwon YJ,2002). Альгинаты оказывают заметное иммуномодулирующие действие за счет восстановления баланса иммунных реакций: удаляют из организма избыток циркулирующих иммунных комплексов (циков), стимулируют фагоцитоз, восстанавливают активность клеточных рецепторов (В.В. М ясоєдов, 2001). Молекулы альгиновой кислоты, представляющие собой гидрофильные макроанионы, могут быть использованы в качестве матриц для создания различных фармацевтических средств с пролонгацией их действия в живом организме. Особое значение в комплексе биохимических свойств альгиновой кислоты приобретает возможность создания на их основе стимуляторов иммунитета животных организмов и человека путем регулирования плотности и знака заряда на макроцепях, с образованием аналогов альгиновой кислоты с ионогенными структурами типа анионитов, катионитов или амфолитов различного виды. Рядом проведенных в области иммунохимии исследований показано, что водорастворимые макроионы могут проявлять себя в качестве мощных стимуляторов иммунитета, интенсификаторов действия вакцин на живой организм. Представляет значительный интерес изучение возможности использования малотоксичных водорастворимых макроионов, на основе природных гликанов, в качестве акцепторов канцерогенов и канцерогенбелковых ассоциатов (эндо- и экзотипа) (А.И. Сливкин, 2000).
Исследования, проведенные в последние годы, выявили, что в водных растворах гулуроновая кислота связывается с большим количеством молекул с образованием плотного молекулярного "сита". Дисперсионный матрикс образует канальцы для селективной диффузии водорастворимых молекул (J.Scott, 1989). На молекуле регулярно повторяются гидрофобные области, способствующие взаимодействию с клеточными мембранами и белками гидрофобного типа. Гидрофильная дисперсионная молекулярная сеть обеспечивает среду для диффузионных процессов, необходимых для клеточного дыхания (J.Scott, 1989).
Широкое применение в медицине нашли также целлюлоза и ее производные: метилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза, монокарбоксилцеллюлоза, гидроксипропилметилцеллюлоза и др. В работах Мясникова (Мясников А.Д и др, 2003; Гальбрайх Л.С, 1996) показано, что МЦ является ускорителем мускульной регенерации в периферийных нервных каналах. Таит и другие (M.Tate et al., 2001; de Silva, Olver , 2005; R.C. Ganassln, N.C. Bols, 2000) показали, что гель метилцеллюлозы может служить субстратом для переноса клеток при травмах головного мозга и для культивирования различных типов клеток. В работах (W. Jianyong, 1997) показано, что метилцеллюлоза в концентрации 0,1-0,2% обладает максимальным защитным действием на взвешенные в среде клетки. Протективное действие метилцеллюлозы заключается в том, что молекулы образуют защитный слой вокруг клетки, предотвращающий их повреждение (Otsuka НД975). Препараты на основе метилцеллюлозы используются в качестве вязкого протектора эндотелия в процессе имплантации интраокулярных линз, благодаря малой эластичностью, хорошими адгезивными и диффузионными свойствами (в фильтрующем аппарате глаза), а также тому, что они инертны, малотоксичны, хорошо поддерживают объем передней камеры (Поволоцкая В.А и др., 1997, Amon М,1992).
Суммируя вышесказанное, необходимо отметить, что, несмотря на многочисленные достоинства и широкие области применения, природные полимеры имеют ряд общих недостатков, таких как низкие механические свойства, нетехнологичность, высокая скорость биодеградации, которые ограничивают возможности их применения в медицине и тканевой инженерии.
Таким образом, для создания материалов нового типа необходимо сочетание достоинств синтетических и природных полимеров и поиск компромиссных решений, позволяющих использовать достоинства и избежать их недостатки. На сегодняшний день существуют системы, представляющие собой смесь либо синтетических полимеров (Olsen L, 1992; Kim B-S, 1986), либо комплексы из природных полимеров, например альгинат-хитозановые (Chung TW, 2002, Matsumoto Т,1993), коллаген-хитозановые (Dawlee S, 2005, Wang ХН,2003; Venugopal J..2005).
Заслуживает упоминания также еще один вид полимерных систем - полимер-полимерные комплексы (ППК). Они представляют особый класс полимерных веществ, образующихся в результате соединения макромолекул с различными по природе функциональными группами посредством водородных или солевых (ионных) связей. ППК, образованные посредством водородных связей, получили название интерполимерные комплексы (ИПК), а посредством солевых связей -интерполиэлектролитные комплексы (ИПЭК). В научной литературе наиболее широко представлены данные об исследовании и применении ИПЭК в качестве носителей биологически активных веществ (Политова Н.К., Бешлей И.В.,2002., Кабанов В.А., Зезин А.Б. 1984).
Методы исследования надмолекулярной структуры и физикохимических характеристик субстратов
Из существующего в настоящее время широкого ассортимента полимерных покрытий на раны и ожоги, в наибольшей степени отвечают всем медико-биологическим требованиям комбинированные покрытия. Они представляют собой большую группу препаратов, получаемых из комбинации известных химических соединений, подбор которых осуществляется с целью придания изделию заданных физико-химических и биологических свойств. В основном комбинированные покрытия изготовлены из смеси либо синтетических (Nisi G. et al., 2005, Bayram Y. et al., 2005, Kim Hyun-Jung et al., 2000), либо природных полимеров (J.Hansbrough, 1988, Добыш C.B.,1999; Dawlee S et al., 2005, Venugopal J,.2005, Vermeulen H et al.,2005).
Большинство комбинированных покрытий из природных полимеров представляет собой белково-полисахаридные комплексы, где роль белка (чаще всего коллагена), связана с его специфическим стимулирующим воздействием на репаративные процессы в ране, а роль полисахаридных соединений - в создании оптимальных условий для роста клеток грануляционной ткани и миграции эпителиальных клеток. В качестве белковой составляющей раневых покрытий чаще всего используют коллаген, как материал хорошо зарекомендовавший себя с точки зрения биосовместимости, а в качестве полисахаридной - альгинат Na, хитозан и хондроитин-6-сульфат.
Хансбором (J.Hansbrough, 1988) был предложен вариант коллаген-полисахаридного покрытия, который представляет собой пористую биодеградирующую мембрану, состоящую из перекрестно связанных коллагена и хондроитин-б-сульфата.
Коллаген-хитозановые покрытия, например «Коллахит», обладают хорошими эксплуатационными свойствами, пластичностью, гигроскопичностью, обеспечивают газообмен. Коллаген проявляет стимулирующее действие на репарационные процессы в основном на первой стадии раневого процесса, тогда как в последующем он тормозит заживление вследствие образования пленки с низкой воздухопроницаемостью. Хитозан, помимо стимулирования пролиферации на первых стадиях, очень полезен на завершающей фазе заживления — перестройке рубца (его присутствие в ране помогает избежать образования грубых рубцов). Хитозан хорошо проводит воздух к заживляемой поверхности. Смешанная полимерная матрица позволяет использовать достоинства обоих биополимеров (Ismarul IN, et al., 2004, Dawlee S et al., 2005, Venugopal J,.2005, Vermeulen H et al.,2005). Коллаген-хитозановые покрытия стимулируют рост эпителиальных клеток. Однако, такие покрытия противопоказаны для применения на гнойных ранах в стадии воспаления, при наличии некротических тканей. В последние годы наибольшее распространение получили препараты на основе альгиновой кислоты и коллагена, например «Альгикол». Коллаген-альгинатные покрытия стимулируют рост грануляционной ткани. Будучи смешаны в водной среде, биополимеры взаимодействуют между собой вначале на уровне ионных связей, затем происходит межмолекулярная сшивка за счет образования ковалентных связей (Добыт С.В.,1999).
Особый практический интерес при разработке раневых покрытий на основе белково-полисахаридных комплексов представляет процесс комплексообразования раствора коллагена с полисахаридами. Последние, являясь линейными полиэлектролитами, легко вступают в комплексообразование с коллагеном за счет образования ионной связи.
В системе коллаген-полисахарид, представляющей собой смесь двух полиэлектролитов, возможны следующие типы взаимодействий: - электростатическое - между противоположно заряженными функциональными группами коллагена и полисахарида, которое сопровождается образованием и осаждением сложной волокнистой структуры; - адсорбционное - между волокнами новой образованной фазы и полисахаридом. При этом количество фибриллярно поглощенного полисахарида зависит от концентрации коллагена в системе. В зависимости от соотношения вводимого в раствор полисахарида происходит сначала его связывание с коллагеном, а затем по мере повышения концентрации полисахарида увеличивается адсорбция коллагена, происходит расслоение системы с выделением волокнистого осадка, далее волокнистый осадок уплотняется (Добыш,1999).
Однако белково-полисахаридные покрытия, обладая хорошей биологической активностью, не имеют достаточной механической прочности и отличаются высокой скоростью биодеградации. Т.о. актуальным является создание композитных материалов, объединяющих достоинства природных и синтетических полимеров. Примером таких материалов стали появившиеся в последнее время композиционные материалы типа «сэндвич», в которых сочетаются свойства синтетических и природных полимеров. Получены они путем нанесения природного полимера на синтетическую подложку либо путем прививки природного полимера на прочную синтетическую мембрану (Horch RE, 1998, Mikhail GR et al.,1989, Klein RL et al., 1984, Banes AJ et al.,1986, McHugh Т. P et al.,,1986), либо путем адсорбции (Kubo К, 2005, 2003, Cho YS et al.,2002, Chvapil M.et al.,1982,1991).
Формирование пленок и исследование процессов структурообразования
Было отмечено, что изменение агрегативного состояния системы начинается не сразу, системе необходимо «вызреть». Это можно объяснить тем, что изменения в состоянии латексно-полисахаридной дисперсии протекает в два этапа. На первом этапе происходят внутренние изменения в латексе, частицы собираются в агрегаты достаточно рыхлой структуры, скорость образования этих агрегатов, согласно теории ДЛФО определяется только электростатическим отталкиванием. (Теория Дерягина - Ландау -Фервея - Овербека. Простейший случай этой теории рассматривает взаимодействие двух крупных частиц, у которых толщина двойного электрического слоя значительно меньше размера частиц, что позволяет перейти к оценке взаимодействия двух плоских параллельных пластин) (Щукин Е.Д. и др., 1982). Затем начинается индукционный период, в течение которого агрегация частиц не происходит. Лишь через некоторое время процесс возобновляется и завершается либо коагуляцией, в результате которой образуются агрегаты - крупные частицы, состоящие из скопления более мелких, либо седиментацией. В случае отсутствия взаимодействия между частицами система остается стабильной. Мы установили, что система достоверно достигает равновесного состояния через 5 часов, поэтому изменение агрегатного состояния системы мы регистрировали через 5 часов.
На основании полученных данных о фазовом состоянии латексно-полисахаридной дисперсии в зависимости от концентрации содержащихся в ней компонентов, были построены фазовые диаграммы (рис.3.2).
Прямые на диаграммах построены линейной аппроксимацией точек, являющихся средним арифметическим между значениями концентраций, при которых изменяется фазовое состояние системы. Были обнаружены четыре различных состояния дисперсии: 1) Стабильная дисперсия; 2) Сенсибилизированная система, содержащая крупные куски коагулюма; 3) Стабилизированная дисперсия; 4) Седиментированная или расслоившаяся дисперсия.
Следует отметить, что, не смотря на различную природу полисахаридов, фазовые диаграммы имеют схожий вид, что говорит о сходстве механизмов взаимодействия разных полисахаридов с латексом.
При добавлении малых количеств полисахарида (участок 1) не происходит изменения устойчивости дисперсии, она остается стабильной, так как количество введенного полисахарида явно недостаточно для нарушения агрегативной устойчивости системы.
Повышение количества вводимых полисахаридов до 0,1 - 0,25% (участок 2) вызывает быструю агрегацию латекса и выпадение крупных кусков коагулюма. Переход от устойчивой дисперсии к сенсибилизированной называется порогом агрегации.
Дальнейшее увеличение концентрации полисахарида (участок 3) в системе приводит к стабилизации латексно-полисахаридной дисперсии. Переход от сенсибилизированной дисперсии к устойчивой называется порогом стабилизации.
При дальнейшем увеличении концентрации полисахарида (участок 4) начинается седиментация латексно-полисахаридной дисперсии. Переход от устойчивой дисперсии к седиментирующей называется порогом коагуляции.
При сравнении фазовых диаграмм, построенных для альгината натрия/ латекса и метилцеллюлозы/латекса обнаружено, что пороги агрегации и стабилизации дисперсий одинаковы, независимо от природы полисахарида, начинается при концентрации полисахарида 0,8 - 0,9% по сухому веществу, а в системе латекс/метилцеллюлоза при концентрации полисахарида 0,4 - 0,5% по сухому веществу. Различие порогов коагуляции в данном случае мы связали с различным механизмом адсорбции молекул полисахарида разной природы на поверхности латексных глобул. Согласно имеющимся данным (Алексеева, 1992; Огаркова и др., 1996) альгинат натрия образует с перфторпеларгоновой кислотой сложные комплексы, в результате чего анионы альгиновой кислоты сорбируются на поверхности латексных глобул, вытесняя анионы перфторпеларгоновой кислоты, которые сорбируются поверх них. Еще одним доказательством образования таких комплексов служит найденное Алексеевой (Алексеева Ю.А.,1992) изменение диаметра латексных глобул при добавлении к латексной дисперсии альгината натрия.
Мы предложили следующий механизм взаимодействия метилцеллюлозы с латекснымя глобулами: гидрофобные метальные группы сорбируются на поверхности латексных глобул между анионами перфторпеларгоновой кислоты.
Полученные нами данные о разнице порогов коагуляции латексной дисперсии при введении в нее полисахаридов различной природы подтверждают гипотезу, высказанную в работе Глембоцкого (В.А.Глембоцкий, 1980) о том, что для образования мицелл из ионогенных и неионогенных ПАВ с одним и тем же числом агрегации требуется в 2 раза больше ионогенных частиц, чем неионогенных, так как способность к мицеллообразованию для ионогенных ПАВ пропорциональна квадрату концентрации ионогенного и первой степени неионогенного ПАВ.
Исследование проницаемости композитных субстратов для паровводы
Как было показано в предыдущем параграфе, введение полисахаридов в состав латексных пленок вызьшает изменение в их надмолекулярной структуре. Это не может не отразиться на механических свойствах материалов.
Мы исследовали прочностные и деформационные характеристики модифицированных полисахаридами латексных пленок, что является необходимым этапом тестирования потенциального биоматериала. Основными параметрами, характеризующими процесс деформации твердого тела, являются показатели прочности на растяжение и относительное удлинение при разрыве (пластичность). Прочность - это свойство тела противостоять разрушению под действием внешней механической силы. Пластичность, то есть способность материала получать большие остаточные деформации без разрушения.
Определение деформационно-прочностных свойств полимерной пленки проводили на универсальной испытательной машине фирмы Orientec, Измеряли прочность при растяжении (сттах,МПа) и относительное удлинение при разрыве (Хр,%). Измерения проводились в лаборатории физических методов исследований ООО «Полимерпласт», Санкт-Петербург. Полученные результаты, усредненные по 5 измерениям, представлены в табл.4.1. Введение в полимер 0,1% полисахарида не оказывает заметного влияния на прочность пленок. Эти данные согласуются с тем, что при концентрациях полисахарида, не превышающих порог коагуляции, взаимодействия молекул латекса и полисахаридов происходит на молекулярном уровне, без создания пространственных затруднений.
При увеличении концентрации полисахаридов (от 5% до 20%) прочность композита увеличивается до 1,4-1,7 МПа, и превышает прочность немодифицированного латекса. Дальнейшее увеличение количества полисахарида не приводит к дальнейшему упорядочению структуры полимера. Это связано с тем, что основную роль в улучшении прочностных свойств подобных пленок играет межфазный переходный слой, препятствующий концентрации напряжений в какой-либо одной точке системы, т.е. способствующий распределению напряжений по всему объему. При этом энергия контакта полимер - пластификатор при образовании комплексов за счет водородных связей или гидрофобных взаимодействий, больше энергии связи между молекулами фторполимера. Это согласуется с данными Робесона (L. М. Robeson, 2004) об образовании водородных связей и упорядоченности при пластификации полиэтилена.
Таким образом, оба полисахарида оказывают одинаковое действие на прочность композитных пленок - ведут к повышению способности материала сопротивляться разрушению за счет усиления физических взаимодействий между макромолекулами.
Из данных, представленных в таблице 3.2 видно, что введение в латекс 0,1% полисахарида не оказывает заметного влияния на эластичность композитных пленок. С ростом содержания полисахарида в композиции наблюдается зависимость относительного удлинения при разрыве от природы полисахарида. Так, для пленок, содержащих от 5 до 20% альгината натрия, относительное удлинение составляет 156-163%. При увеличении концентрации метилцеллюлозы в композитной пленке с 5 до 20 % относительное удлинение при разрыве увеличивается со 194% до 355%.
Таким образом, введение в полимер полисахарида в концентрациях, не превышающих порога насыщения поверхности латексных глобул не приводит к видимому изменению эластичности материала, так как не возникает пространственных затруднений при перемещении сегментов макромолекул. При увеличении содержания полисахаридов выше порога насыщения наблюдается различное влияние введенных полисахаридов на эластические характеристики композитного материала. Введение альгината натрия ведет к необратимому снижению эластических свойств по сравнению с исходным латексом. Видимо попадание в межпачечное пространство несвязанных молекул альгината натрия приводит к увеличению плотности физических узлов, что пространственные затруднения при перемещении сегментов макромолекул и снижает способность к ориентационному упрочнению. Надмолекулярные структуры в таких полимерах являются флуктуационными, термодинамически нестабильными. Это согласуется с данными о аморфной структуре пленок, модифицированных альгинатом натрия (Гл.З п.З).
Присутствие в межпачечном пространстве несвязанных молекул метилцеллюлозы, способствующей формированию кристаллитов, повышает эластичность полимера за счет того, что при деформации возможно разукрупнение кристаллов и скольжение образующихся блоков в направлении деформирования без их разрыва.
Наши данные согласуются с результатами, полученными Туговым (Тутов И.И., 1989) при исследовании образцов кристаллизующихся полимеров. Так, при уменьшении размера сферолитов в полипропилене с 300—500 до 10—20 мкм происходит повышение прочности при разрыве от 6 до 30 МПа, а относительное удлинение растет от 5-7% до 600%.
Таким образом, оба полисахарида оказывают одинаковое действие на прочность композитных пленок - ведут к повышению способности материала сопротивляться разрушению за счет усиления физических взаимодействий между макромолекулами. Таким образом, введение полисахаридов (независимо от их природы) существенно увеличивает прочность материалов, до уровня прочности полиэтилена низкого давления. Это позволяет легко проводить манипуляции с данными пленками.
Сорбционная способность полимера является важнейшей характеристикой биоматериала, предназначенной для использования в качества раневого покрытия. Данная величина характеризуется увеличением объема высокомолекулярного соединения, происходящего вследствие проникновения жидкости в объем материала. Способность полимера набухать характеризуется степенью набухания. При достижении определенной степени набухания процесс сорбции прекращается. Эта величина называется равновесной степенью набухания.
Мы исследовали набухаемость композитных материалов в воде при температуре 37С. Было выявлено, что все материалы достигают равновесной степени набухания в течение 2 суток.
