Применение полиуретана в тканевой инженерии костной ткани

Тканевая инженерия (Tissue Engineering, сокращённо TE) впервые была представлена Langer и Vacanti в 1993 году. Цель тканевой инженерии заключается в содействии регенерации и восстановлению повреждённых тканей человеческого организма. Для восстановления повреждённых тканей необходимы три основных клеточных процесса: пролиферация, дифференцировка и адгезия клеток. Материалы, используемые для изготовления каркасов, играют важную роль в регенерации тканей. Каркасы выполняют функцию искусственного внеклеточного матрикса^[1] и могут изготавливаться из природных или синтетических полимеров. Синтетические полимеры получили широкое распространение в качестве материалов для каркасов благодаря доступной стоимости, удобству обработки и возможности применения в контакте с повреждёнными тканями. Несмотря на возможную стимуляцию иммунной системы или цитотоксичность в зависимости от типа используемого полимерного материала, эти материалы широко применяются в медицинской сфере и системах доставки лекарственных средств благодаря таким свойствам, как регулируемая скорость разложения, пористость и механические характеристики. Они также обладают предсказуемыми механическими свойствами, включая прочность, эластичность и скорость деградации. Синтетические полимеры, используемые для изготовления каркасов, часто комбинируют с природными полимерами, например белками. Например, PGA (полигликолевая кислота) представляет собой полиэфир с линейной структурой и относительно длительным временем деградации. Поскольку побочный продукт её разложения — гликолевая кислота — может выводиться из организма с мочой, этот материал считается безопасным. Однако для увеличения скорости деградации PGA при восстановлении костных дефектов могут быть изготовлены композиты PGA с природными полимерами, такими как коллаген. Такой подход показал приемлемые результаты, например при восстановлении дефектов костей черепа кроликов.

Рисунок 1. Общая схема применения тканевой инженерии в организме

[1] ECM: Extracellular Matrix — внеклеточный матрикс

Полиуретан в тканевой инженерии костной ткани и изготовлении каркасов

Полиуретан является одним из синтетических полимеров, используемых для создания и укрепления тканеинженерных каркасов благодаря таким свойствам, как биосовместимость, биоразлагаемость, высокая устойчивость к окислению и подходящие механические характеристики. Благодаря структуре PU и различной молекулярной массе компонентов, входящих в его состав, можно получать полиуретановые материалы с высокой гибкостью.

Рисунок 2. Общая структура каркаса, используемого в организме

Благодаря своим полезным свойствам волокна PU, полученные методом электроспиннинга, широко применяются при трансплантации кожи и костной ткани.

Рисунок 3. Общая схема применения полимеров и наночастиц в тканевой инженерии

Биоразлагаемые алифатические полиэфиры, такие как полимолочная кислота (PLA), поликапролактон (PCL) и полибутиленсукцинат (PBS), широко используются в качестве полиольной основы для PU. Однако из-за ограниченных механических характеристик они часто требуют физической и химической модификации. Среди этих полиэфиров PBS может быть получен из биологического сырья и обеспечивает хороший баланс между термическими и механическими свойствами. К характеристикам PBS относятся высокая степень кристалличности, низкая скорость кристаллизации, невысокая прочность расплава и низкая устойчивость к разрыву. Для улучшения механических характеристик полибутиленсукцинат сополимеризуют с политетраметиленгликолем (PTMG) при различном содержании PTMG: 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60 и 70%. В процессе сополимеризации PBS выполняет функцию жёсткого сегмента, а PTMG — мягкого сегмента. Полученный сополимер обозначается как PBSTMG. Ниже рассматриваются некоторые свойства этих образцов.

Механические свойства

В таблице 1 представлены свойства PBS, сополимера PBSTMG и смесей PBS/PBSTMG при различных соотношениях. Прочность на растяжение сополимера PBSTMG снижается, когда содержание полиола PTMG составляет 10% или менее. В то же время относительное удлинение при разрыве и ударная прочность сополимера значительно улучшаются с увеличением содержания PTMG. В частности, при содержании PTMG 10% ударная прочность сополимера приблизительно в 4,5 раза выше, чем у PBS.

Таблица 1. Механические свойства PBS, PBSTMG и композиций PBS-PTMG

Анализ поведения при плавлении и кристаллизации

В результате анализа DSC были получены две кривые: на графике (a) показан процесс охлаждения (Cooling), а на графике (b) — процесс нагревания (Heating). С увеличением содержания PTMG температура плавления, температура кристаллизации и степень кристалличности снижаются. По мере увеличения содержания PTMG пик кристаллизации постепенно уменьшается, а при содержании PTMG 20% наблюдается лишь очень небольшой пик. Следовательно, процесс сополимеризации непосредственно влияет на кристалличность материала.

Рисунок 1. DSC-анализ PBS и сополимера PBSTMG при скорости 10°C/мин для обеих кривых

В традиционном сополимере на основе PBS введение третьего мономера оказывает значительное влияние на температуру плавления и степень кристалличности. В процессе сополимеризации длина кристаллизующихся сегментов уменьшается, а посторонние структурные единицы исключаются из кристаллической решётки. По мере увеличения содержания сомономера толщина ламелей (lamella) PBS уменьшается. Температуры плавления и кристаллизации также снижаются при введении третьего мономера.

Анализ термической стабильности

Термогравиметрический анализ (TGA) имеет большое значение для оценки практических характеристик полученного материала и проводится в атмосфере азота. Согласно представленному графику, термическая стабильность PBS и сополимеров с различным содержанием PTMG очень близка. Следовательно, можно сделать вывод, что сополимеризация не оказывает значительного влияния на термическую стабильность материала.

Рисунок 2. TGA-анализ PBS и сополимера PBSTMG в атмосфере азота при скорости нагрева 10°C/мин

Динамический механический анализ

Динамический механический анализ (DMA) используется для исследования вязкоупругих свойств PBS и сополимера PBSTMG, включая модуль и характеристики механических потерь. Содержание PTMG оказывает значительное влияние на модуль и температуру стеклования. В диапазоне температуры стеклования ограничение молекулярной подвижности влияет на значение модуля, и для всех сополимеров наблюдается его увеличение. Рисунок 3a показывает, что с увеличением содержания PTMG повышаются модуль и его максимальное значение. На рисунке 3b видно, что при увеличении содержания PTMG пик становится более узким и смещается в область более низких температур — от -42,9°C до -67,4°C. При содержании PTMG 10, 15 и 20% на кривой механических потерь наблюдаются два пика, что указывает на фазовое разделение в сополимере.

Рисунок 3. Влияние температуры на (a) модуль и (b) механические потери PBS и сополимера PBSTMG

Анализ кристаллической структуры (WAX)

Данный анализ используется для исследования физических характеристик сополимера. Согласно представленным графикам, положение пиков остаётся практически неизменным, поскольку PTMG не изменяет кристаллическую решётку. Однако по мере увеличения содержания PTMG пики становятся менее выраженными, а их интенсивность снижается. Эти результаты также согласуются с данными DSC-анализа.

Рисунок 4. Рентгеновская дифракция PBS и сополимера PBSTMG при различном содержании PTMG

Методы изготовления каркасов в тканевой инженерии костной ткани

Для изготовления и проектирования подходящих тканеинженерных каркасов используются различные методы, включая фазовое разделение, газовое вспенивание, лиофилизацию эмульсий, литьё из раствора и электроспиннинг.

Рисунок 4. Процесс изготовления каркаса из исходных компонентов полиуретана с добавлением наночастиц

На рисунке выше в упрощённом виде представлен процесс полимеризации и добавления изоцианата, а также введение наночастиц, которые могут значительно улучшить механические характеристики материала. Полученный материал в дальнейшем также может применяться в системах доставки лекарственных средств.

Заключение

Применение полиуретана в тканевой инженерии костной ткани представляет значительный интерес благодаря возможности регулирования его механических свойств, хорошей биосовместимости и пригодности для изготовления каркасов. Одним из способов улучшения механических характеристик полиуретана является сополимеризация полиэфира и полиола. Рассмотренные результаты показывают, что полиуретановые пены способны обеспечивать подходящие характеристики для костных каркасов и могут перерабатываться различными методами для получения подобных материалов. Поэтому применение и исследование полиуретана в тканевой инженерии костной ткани представляет собой перспективное направление.

Литература:

1. Javid‐Naderi, M.J., Behravan, J., Karimi‐Hajishohreh, N. and Toosi, S., 2023. Synthetic polymers as bone engineering scaffold. Polymers for Advanced Technologies.
2. Wu, S., Zhang, Y., Han, J., Xie, Z., Xu, J. and Guo, B., 2017. Copolymerization with polyether segments improves the mechanical properties of biodegradable polyesters. ACS Omega, 2(6), pp.2639-2648.
3. Joseph, J., Patel, R.M., Wenham, A. and Smith, J.R., 2018. Biomedical applications of polyurethane materials and coatings. Transactions of the IMF, 96(3), pp.121-129.