БИОРАЗЛАГАЕМЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ: ОТ ИМПЛАНТА К ОРГАНУ

Развитие современных медицинских технологий было бы невозможно без применения различных материалов со специальными свойствами. В последнее десятилетие наблюдается все возрастающий интерес к биоразлагаемым материалам для использования в медицине и других областях народного хозяйства. Синтетические биоразлагаемые полимеры широко используются в медицине для создания систем контролируемой доставки лекарственных препаратов, шовных хирургических материалов, для изготовления ортопедических изделий (винты, штифты, стержни), а также нетканых материалов и матриксов для тканевой инженерии. Наиболее востребованными полимерами для изготовления изделий биомедицинского назначения являются сложные полиэфиры α-гидроксикислот: полилактид, полигликолид, поли(ε-капролактон), полидиоксанон, а также их сополимеры. Регулирование молекулярной и надмолекулярной структуры биоразлагаемых полимеров позволяет управлять физико-химическими и физико-механическими характеристиками материалов, а также кинетикой их биодеградации. Это дает возможность подбирать оптимальный состав и структуру материала для разработки широкого ассортимента биомедицинских изделий. Введение различных функциональных наполнителей, таких как кальций-фосфаты, в структуру материала позволяет создавать биоактивные композиционные материалы с улучшенными физико-механическими характеристиками. Для получения высокодисперсных биомедицинских материалов для регенеративной медицины применяют такие методы как электроформование и лиофилизация. Варьирование технологических параметров процесса обеспечивает возможность изготовления материалов и изделий с заданным размером пор и различными механическими характеристиками. Повысить эффективность действия многих лекарственных средств можно путем включения их в наноразмерные полимерные мицеллы на основе амфифильных блочных сополимеров лактида и этиленоксида. Различная способность блоков лактида к кристаллизации и направленное изменение длины блоков позволяет получать мицеллы с различным размером и морфологией. В данной статье мы попытались сделать обзор основных работ, проводимых в нашем научном коллективе в области биоразлагаемых полимеров.

биоразлагаемые полимеры, полилактид, полигликолид, наночастицы, полимерные нанокомпозиты, импланты

1. Штильман М.И., Подкорытова А.В., Немцев С.В., Кряжев В.Н. / Под ред. М.И. Штильмана. Технология полимеров медико-биологического назначения. Полимеры природного происхождения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. 328 с.

2. Биосовместимые материалы: Учебное пособие / Под ред. В.И. Севастьянова, М.П. Кирпичникова. М.: Медицинское информационное агентство, 2011. 544 с.

3. Чарышкин А.Л., Глущенко Л.В., Чвалун С.Н., Седуш Н.Г. Первые результаты исследования саморастворимого кава-фильтра // Хиругия. 2014. Т. 10. С. 21-24.

4. Kreuter J. Nanoparticulate systems for brain delivery of drugs // Adv. Drug Deliv. Rev. 2012. V. 64. P. 213-222.

5. Raya-Rivera A.M., Esquiliano D., Fierro-Pastrana R., López-Bayghen E., Valencia P., Ordorica-Flores R., Soker S., Yoo J.J., Atala A. Tissue-engineered autologous vaginal organs in patients: a pilot cohort study // Lancet. 2014. V. 384. № 9940. P. 329-336.

6. Nicolas J., Mura S., Brambilla D., Mackiewicz N., Couvreur P. Design, functionalization strategies and biomedical applications of targeted biodegradable/ biocompatible polymer-based nanocarriers for drug delivery // Chem. Soc. Rev. 2013. V. 42. № 3. P. 1147-1235.

7. Perego G., Cella G.D., Bastioli C. Effect of molecular weight and crystallinity on poly(lactic acid) mechanical properties // J. Appl. Polym. Sci. 1996. V. 59. № 1. P. 37-43.

8. Murariu M., Dubois P. PLA composites: From production to properties // Adv. Drug Deliv. Rev. 2016. V. 107. P. 17-46.

9. Богданова О.И., Седуш Н.Г., Овчинникова Т.Н., Белоусов С.И., Поляков Д.К., Чвалун С.Н. Полилактид - биоразлагаемый биосовместимый полимер на основе растительного сырья // Экология и промышленность России. 2010. Т. 5. С. 18-23.

10. Tuominen J., Seppälä J.V. Synthesis and characterization of lactic acid based poly(ester-amide) // Macromolecules. 2000. V. 33. № 10. P. 3530-3535.

11. Moon S.I., Lee C.-W., Taniguchi I., Miyamoto M., Kimura Y. Melt/solid polycondensation of L-lactic acid: An alternative route to poly(L-lactic acid) with high molecular weight // Polymer (Guildf). 2001. V. 42. № 11. P. 5059-5062.

12. Zhang X., Macdonald D.A., Goosen F.A., McAuley K.B. Mechanism of lactide polymerization in the presence of stannous octoate: The effect of hydroxy and carboxylic acid substances // J. Polym. Sci. (Part A). 1994. V. 32. № 15. P. 2965-2970.

13. Kowalski A., Duda A., Penczek S. Kinetics and mechanism of cyclic esters polymerization initiated with tin(II) octoate. Polymerization of L,L-dilactide // Macromolecules. 2000. V. 33. № 20. P. 7359-7370.

14. Stridsberg K.M., Ryner M., Albertsson A. Controlled ring-opening polymerization: Polymers with designed macromolecular architecture // Degrad. Aliphatic Polyesters. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. 2002. V. 157. P. 41-65.

15. Kalb B., Pennings A.J. General crystallization behaviour of poly(L-lactic acid) // Polymer (Guildf). 1980. V. 21. № 6. P. 607-612.

16. Малафеев К.В., Москалюк О.А., Юдин В.Е., Седуш Н.Г., Чвалун С.Н., Елоховский В.Ю., Попова Е.Н., Иванькова Е.М. Получение и свойства волокон из сополимера молочной и гликолевой кислот // Высокомолекул. cоедин. (А). 2017. Т. 59. №1. С. 1-6.

17. Sedush N.G., Chvalun S.N. Kinetics and thermodynamics of L-lactide polymerization studied by differential scanning calorimetry // Eur. Polym. J. 2015. V. 62. P. 198-203.

18. Седуш Н.Г., Стрелков Ю.Ю., Чвалун С.Н. Исследование кинетики полимеризации D,L-лактида и гликолида методом дифференциальной сканирующей калориметрии // Высокомолекул. cоедин. (Б). 2014. Т. 56. С. 39-44.

19. Middleton J.C., Tipton A.J. Synthetic biodegradable polymers as orthopedic devices // Biomaterials. 2000. V. 21. № 23. P. 2335-2346.

20. Агаджанян В.В., Пронских А.А., Демина В.А., Гомзяк В.И., Седуш Н.Г., Чвалун С.Н. Биодеградируемые импланты в ортопедии и травматологии. Наш первый опыт // Политравма. 2016. Т. 4. С. 85-93.

21. Burg K.J., Porter S., Kellam J.F. Biomaterial developments for bone tissue engineering // Biomaterials. 2000. V. 21. № 23. P. 2347-2359.

22. Cancedda R., Dozin B., Giannoni P., Quarto R. Tissue engineering and cell therapy of cartilage and bone // Matrix Biol. 2003. V. 22. № 1. P. 81-91.

23. Yoshikawa H., Myoui A. Bone tissue engineering with porous hydroxyapatite ceramics // J. Artif. Organs. 2005. V. 8. № 3. P. 131-136.

24. Kalita S.J., Bhardwaj A., Bhatt H.A. Nanocrystalline calcium phosphate ceramics in biomedical engineering // Mater. Sci. Eng. C. 2007. V. 27. № 3. P. 441-449.

25. Dong Q., Chow L.C., Wang T., Frukhtbeyn S.A., Wang F., Yang M., Mitchell J.W. A new bioactive polylactide-based composite with high mechanical strength // Colloids Surfaces A. 2014. V. 457. P. 256-262.

26. Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерные композиционные матери- алы. Прочность и технологии. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010. 347 с.

27. Peer D., Karp J.M., Hong S., Farokhzad O.C., Margalit R., Langer R. Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy // Nat. Nanotechnol. 2007. V. 2. № 12. P. 751-760.

28. Balabanyan V., Ul’yanov A., Bojat V., Khomenko A., Sedush N., Chvalun S., Kapanadze G., Hamdy Y., Shvets V. Development and evaluation of a nanoparticulate paclitaxel formulation based on lacticglycolic acids copolymer // Biopharmaceutical Journal. 2013. № 6. P. 28-37.

29. Никольская Е.Д., Жунина О.А., Яббаров Н.Г., Швец В.И., Круглый Б.И., Северин Е.С. Разработка систем направленной доставки противоопухолевых препаратов актиномицинового ряда с рекомбинантным альфа-фетопротеином // Доклады Академии наук. 2017. Т. 473. № 6. С. 739-741.

30. Иванов А.Е., Зубов В.П. «Умные» полимеры как поверхностные модификаторы биоаналитических устройств и биоматериалов: теория и практика // Успехи химии. 2016. Т. 85. № 6. С. 565-584.

31. Wang Z.H., Wang Z.Y., Sun C.S., Wang C.Y., Jiang T.Y., Wang S.L. Trimethylated chitosan-conjugated PLGA nanoparticles for the delivery of drugs to the brain // Biomaterials. 2010. V. 31. № 5. P. 908-915.

32. Tosi G., Constantino L., Ruozi B., Forni F., Vandelli M.A. Polymeric nanoparticles for the drug delivery to the central nervous system // Expert Opin. Drug Deliv. 2008. V. 5. № 2. P. 155-174.

33. Zhang J., Wang L.Q., Wang H., Tu K. Micellization phenomena of amphiphilic block copolymers based on methoxy poly(ethylene glycol) and either crystalline or amorphous poly(caprolactone-blactide) // Biomacromolecules. 2006. V. 7. P. 2492-2500.

34. Yang L., Zhao Z., Wei J., El Ghzaoui A., Li S. Micelles formed by self-organization of polylactide/ poly(ethylene glycol) block copolymers in aqueous solutions // J. Colloid & Interface Sci. 2007. V. 314. P. 470-477.

35. Xiao R.Z., Zeng Z.W., Lin Zhou G., Wang J.J., Zhu Li F., Ming Wang A. Recent advances in PEG-PLA block copolymer nanoparticles // Int. J. Nanomedicine. 2010. V. 5. P. 1057-1065.

36. Riley T., Govender T., Stolnik S., Xiong C.D., Garnett M.C., Illum L., Davis S.S. Colloidal stability and drug incorporation aspects of micellar-like PLA-PEG nanoparticles // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 1999. V. 16. P. 147-159.

37. Otsuka H., Nagasaki Y., Kataoka K. PEGylated nanoparticles for biological and pharmaceutical applications // Adv. Drug Deliv. Rev. 2003. V. 55. P. 403-419.

38. Zhao H., Liu Z., Park S., Kim S.H., Kim J.H., Piao L. Preparation and characterization of PEG/PLA multiblock and triblock copolymer // Bull. Korean Chem. Soc. 2012. V. 33. № 5. P. 1638-1642.

39. Perez C., Sanchez A., Putnam D., Ting D., Langer R., Alonso M.J. Poly(lactic acid)-poly(ethylene glycol) nanoparticles as new carriers for the delivery of plasmid DNA // J. Contr. Release. 2001. V. 75. № 1-2. P. 211-224.

40. Posocco P., Fermeglia M., Pricl S. Morphology prediction of block copolymers for drug delivery by mesoscale simulations // J. Mater. Chem. 2010. V. 20. P. 7742-7753.

41. Kelley E.G., Murphy R.P., Seppala J.E., Smart T.P., Hann S.D., Sullivan M.O., Epps T.H. Size evolution of highly amphiphilic macromolecular solution assemblies via a distinct bimodal pathway // Nature Commun. 2014. V. 5. № 3599. P. 1-10.

42. Fujiwara T., Miyamoto M., Kimura Y. Crystallization-induced morphological changes of a poly(L-lactide)/poly(oxyethylene) diblock copolymer from sphere to band via disk: A novel macromolecular self-organization process from core-shell nanoparticles on surface // Macromolecules. 2000. V. 33. P. 2782-2785.

43. Fujiwara T., Kimura Y. Macromolecular organization of poly(L-lactide)-block-polyoxyethylene into bio-inspired nano-architectures // Macromol. Biosci. 2002. V. 2. P. 11-23.

44. Сытина Е.В., Тенчурин Т.Х., Рудяк С.Г., Сапрыкин В.П., Романова О.А., Орехов А.С., Васильев А.Л., Алексеев А.А., Чвалун С.Н., Пальцев М.А., Пантелеев А.А. Сравнительная оценка биосовместимости полимерных матриксов, полученных путем электроформования, и их использование для создания объемных дермальных эквивалентов // Молекулярная медицина. 2014. № 6. C. 38-47.

45. Lukanina K.I., Shepelev A.D., Budyka A.K. Synthesis of ultrafine fibers from L- and D,L-isomers of polylactide by electrospinning // Fibre Chemistry. 2012. V. 43 (5). P. 332-338.

46. Jain R. The manufacturing techniques of various drug loaded biodegradable poly(lactide-coglycolide) (PLGA) devices // Biomaterials. 2000. V. 21. № 23. P. 2475-2490.

47. Родина А.В., Тенчурин Т.Х., Сапрыкин В.П., Шепелев А.Д., Мамагулашвили В.Г., Григорьев Т.Е., Москалева Е.Ю., Чвалун С.Н., Северин С.Е. Пролиферативный и дифференцировочный потенциал мультипотентных мезенхимных стволовых клеток на биосовместимых полимерных матриксах с различными физико-химическими свойствами // Бюлл. экспер. биологии и медицины. 2016. Т. 162. № 10. C. 486-494.

48. Rodina A.V., Tenchurin T.K., Saprykin V.P., Shepelev A.D., Mamagulashvili V.G., Grigor'ev T.E., Lukanina K.I., Orekhov A.S., Moskaleva E.Y., Chvalun S.N. Migration and proliferative activity of mesenchymal stem cells in 3D polylactide scaffolds depends on cell seeding technique and collagen modification // Bull. Exp. Biology and Medicine. 2016. V. 162 (1). P. 120-126.

49. Киселевский М.В., Ситдикова С.М., Tенчурин T.Х., Хомченко А.Ю. Современные подходы и перспективы создания биоимплантата трахеи // Рос. биотерапевт. журн. 2014. Т. 13. № 3. C. 127-131.

50. Киселевский М.В., Чикилева И.О., Власенко Р.Я., Ситдикова С.М., Тенчурин Т.Х., Мамагулашвили В.Г., Шепелев А.Д., Григорьев Т.Е., Чвалун С.Н. Биосовместимость перспективных полимерных матриксов трахеи // Бюлл. экспер. биологии и медицины. 2016. Т. 161. № 4. С. 528-531.

51. Киселевский М.В., Анисимова Н.Ю., Шепелев А.Д., Тенчурин Т.Х., Мамагулашвили В.Г., Крашенинников С.В., Григорьев Т.Е., Лебединская О.В., Чвалун С.Н., Давыдов М.И. Механические свойства биоинженерного протеза трахеи на основе синтетического ультраволокнистого матрикса // Рос. журн. биомеханики. 2016. Т. 20. № 2. С. 116-122.