Модифицирование физико-химических и биологических свойств синтетических полимерных материалов вакуумным ультрафиолетовым излучением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Кузнецов, Артем Викторович

• Кузнецов, Артем Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кузнецов, Артем Викторович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 11 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Разработка биомедицинских материалов.12.

1.2. Влияние физико-химических^ свойств: поверхности; на^ процессы; адсорбции белков и адгезии клеточных компонентов крови.19

1.2.1. Адсорбция белков.

1.2.2. Адгезия тромбоцитов

1.3. Воздействие вакуумного ультрафиолетового! излучения; на поверхность полимерных материалов.

1.3.Г. Химический состав и структура полимерных материалов.29*

1.3.2. Морфология и физико-химические свойства поверхности полимера.

1.3:3. Кинетика и механизм взаимодействия вакуумного ультрафиолетового излучения с полимерами в вакууме и в присутствии кислорода.

1.4. Влияние ВУФ-облучения на физико-химические и биологические свойства полимерных материалов.

1.4.1. Поверхностная энергия.

1.4.2. Сшивание и микротвёрдость полимеров.

1.4.3. Формирование регулярных поверхностных структур.

1.4.4. Комбинированное использование ВУФ-излучения и методов < химической иммобилизации для модифицирования полимерных материалов.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

2.1. Материалы и реагенты.

2.2. Экспериментальная установка; для^ модифицирования полимеров вакуумным ультрафиолетовым излучением.

2.2.1. Описание установки.

2.2.2. Методика ВУФ-облучения.

2.3. Методы измерения адсорбции белков:.

2.3.1. Метод флуоресценции полного внутреннего отражения.

2.3.2. Радиоизотопный метод.

2.4. Исследование параметров адгезии тромбоцитов.

2.4.1. Приготовление плазмы, обогащенной тромбоцитами.

2.4.2., Приготовление образцов для исследования методом сканирующей электронной микроскопии.

2.4.3: Обработка полученных изображений.

2.5. Методы исследования физико-химических характеристик поверхностного слоя полимеров.

2.5.1. Фурье-ИК спектроскопия многократно нарушенного полного внутреннего отражения.

2.5.2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.

2.5.3. Измерение краевого угла смачивания.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

З.1. Изменения химического состава; поверхностного слоят ПЭНП и ПЗВП вследствие ВУФ-облучения.54?

3.1.1. Фурье-ИК спектроскопия многократно нарушенного полного внутреннего отражения.

3.1.2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.

3.2. Изменения морфологии поверхности ПЭНП и ПЭВП.

3.3. Гидрофильность поверхности ВУФ-облучённых образцов.

3.4. Характер кинетики адсорбции сывороточного альбумина человека на необработанных и: ВУФ-облучённых полимерных поверхностях.

3.5. Взаимосвязь параметров адсорбции САЧ с изменениями химического состава поверхностного слоя полимера при ВУФфотолизе.

3.6. Стабильность ВУФ-модифицированных материалов при хранении в водной среде и на воздухе

3.7. Химическое модифицирование ВУФ-облучённых образцов.

3.8. Параметры адгезии: тромбоцитов для полимерных материалов различного строения (ПЭНЩ ПЭВП, ПТФЭ, ПУ)

3.8.1. Адгезия тромбоцитов на образцах ПЭ.

3.8.2. Адгезия тромбоцитов на образцах ПТФЭ!.

3.8.3. Адгезия тромбоцитов на образцах ПУ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модифицирование физико-химических и биологических свойств синтетических полимерных материалов вакуумным ультрафиолетовым излучением»

Актуальность темы!

Проблема улучшения медико-биологических свойств, медицинских изделий остается актуальной и практически важной задачей;

Известно, что поверхность, клеточных: мембран: имеет микрогетерогенную структуру и включает в себя; заряженные гидрофильные и гидрофобные участки. Нами; было высказано предположение, что имитирование такой структурной неоднородности или гидрофильно-гидрофобной мозаичности, или и того и другого позволит существенно уменьшить взаимодействие: поверхности с белками; и: клетками: и, в; результате, повысить, вероятность биосовместимости изделий.

Основными путями повышения био- и гемосовместимых: свойств, изделий медицинского назначения является создание новых материалов или модифицирование промышленно выпускаемых материалов и изделий. Второй ^ путь является;наиболее распространённым подходом! к улучшению» медико-технических свойств медицинских изделий; так как, позволяет целенаправленно- изменять только физико-химические и биологические свойства поверхности.

Среди различных методов модифицирования г характеристик ; поверхности; полимеров, таких как, обработка: коронным разрядом, плазмой тлеющего разряда, озонирование и; ультрафиолетовое облучение, фотохимическое: регулирование; поверхностных свойств; полимеров: с использованием: вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения; привлекает, всё* больший интерес исследователей. Для: большинства: полимеров высокоэнергетичное излучение с длиной волны < 180 нм (так; называемое: вакуумное: ультрафиолетовое: излучение)- поглощается в тонком поверхностном слое толщиной« 100 — 500 нм, вызывая диссоциацию практически любых химических связей в полимерной молекуле и; образование на поверхности свободных радикалов и других продуктов фотолиза. По сравнению с плазмохимической обработкой, обычно сопровождающейся многочисленными- трудно управляемыми многоканальными процессами; фотолиз резонансным ВУФ-излучением в присутствии^ различных газов • позволяет избирательно и; целенаправленно г менять физико-химические поверхностные свойства г полимеров. Выбором? состава газа в реакционной» камере и условий облучения можно управлять процессами>образования специфических групп на поверхности полимера и таким образом добиваться направленной функционализации изделия. При этом: механические, оптические и другие объёмные свойства; полимера, отвечающие соответствующему медицинскому применению,- остаются неизменными в силу малой глубины проникновения=ВУФ-излучения:

В работах Центра по исследованию* биоматериалов ранее: была показана принципиальная возможность использования ВУФ-излучения для улучшения медико-биологических свойств интраокулярных линз из силиконовых материалов. Однако исследователи ограничились только > констатацией факта положительного влияния изменения морфологии« поверхности силиконовой; резины на ее биосовместимые свойства без объяснения возможных механизмов данного эффекта.

Цель работы?

Цель работы» заключалась в исследовании; взаимосвязи между физико-химическими и биологическими» свойствами- синтетических полимерных материалов, модифицированных вакуумным ультрафиолетовым излучением.

Основные задачи работы?

Исходя из поставленной цели, задачи: исследования- сводились, к следующему:

1) разработать метод модифицирования; поверхности; полимерных материалов? с использованием? вакуумного ультрафиолетового? излучения;

2) изучить физико-химические свойства^ модифицированных; поверхностей полиэтилена: низкой и высокой? плотности,, полиэфируретана и политетрафторэтилена;

3) исследовать процессы адсорбции альбуминам и адгезии тромбоцитов человека для модифицированных ВУФ-излучением поверхностей полимерных материалов;

4) найти оптимальные режимы ВУФ-облучения для направленного изменения поверхностных физико-химических: характеристик, определяющих биологические свойства; исследуемых: полимерных: материалов.

Научная новизна

1) Предложена новая область применения ВУФ-излучения, связанная; с регулированием биологических; свойств синтетических: полимерных материалов медицинского назначения:

2) Доказано, что содержание кислородсодержащих групп на поверхности ВУФ-облученных полимерных материалов влияет как и на относительную долю необратимо адсорбированного альбумина, так на количество и морфологию адгезированных тромбоцитов.

3) Для каждого вида исследуемого полимерного материала найдены режимы ВУФ-облучения, позволяющие целенаправленно влиять на концентрацию кислородсодержащих групп, определяющих характер взаимодействия поверхности с сывороточным альбумином и тромбоцитами человека. 4) Показана возможность использования ВУФ-излучения для обогащения! поверхности синтетических полимерных; материалов различными функциональными химическими группами.

Практическая значимость

Собрана; и отлажена установка для модифицирования полимеров? медицинского назначения вакуумным; ультрафиолетовым: излучением У МП-1. Метод вакуумной; ультрафиолетовой обработки поверхности: полимерных материалов; внедрен в практику работы; Центра по исследованию; биоматериалов как способ регулирования физико-химических и биологических свойств поверхности- для решения^ фундаментально-прикладных задачу направленных на повышение; биологической безопасности полимерных материалов.

Область, возможного практического применения метода вакуумной ультрафиолетовой; обработки поверхности полимерных материалов связана с улучшением био- и гемосовместимых свойств медицинских изделий (искусственные хрусталики глаза, катетеры, протезы кровеносных сосудов и т.д.).

Опытное производство по обработке искусственных хрусталиков глаза предполагается наладить в Федеральном Государственном Унитарном предприятии Научно-исследовательском институте физических проблем; им. Ф.В. Лукина Минпромэкономики РФ в г. Зеленограде.

Апробация работы;

Основные положения диссертации; доложены и обсуждены на следующих семинарах и конференциях:

- межинститутский семинар Центра по • исследованию биоматериалов ¡ ФГУ НИИ Трансплантологии и искусственных: органов Росздрава (2003 г., 2004 г., 2005 г.),

- IX научно-техническая конференция «Вакуумная: наука и техника» (сентябрь 2002 г., Судак, Украина),

- XI научно-техническая конференция «Вакуумная? наука и техника» (сентябрь 2004 г., Судак, Украина),

- II всероссийская конференция (с приглашением специалистов стран СНГ) «Прикладные; аспекты химии высоких энергий» (октябрь 2004 г., Москва),

- 4-й Международный симпозиум по теоретическою и прикладной! плазмохимии (май 2005 г., Иваново).

Публикации;

Результаты проведённых исследований отражены в: 8 печатных работах, опубликованных в России и за рубежом.

Структура и объём диссертации

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Кузнецов, Артем Викторович

ВЫВОДЫ

1. Создана установка по облучению образцов в диапазоне рабочих давлений 0.02 - 25 торр монохроматическим светом с длиной волны 147 нм и интенсивностью 3х Ю15 квант-с"'-см"2.

2. Методами Фурье-ИК спектроскопии МНПВО и РФС показано, что

ВУФ-облучение плёночных образцов ПЭНП и ПТФЭ приводит к образованию на поверхности преимущественно кислородсодержащих: групп и двойных связей. Относительная концентрация кислорода по отношению к углероду достигает величины 50% при обработке в оптимальных условиях.

3. Методом ФПВО установлено, что доля молекул сывороточного альбумина, необратимо адсорбированных на поверхности ПЭНП и ПЭВП, уменьшается с увеличением поверхностной концентрации кислородсодержащих групп.

4. Показано, что ВУФ-облучение образцов в течение 30 мин. при 2.5 торр' приводит к снижению необратимо адсорбированного альбумина для; ПЭНП от 11.4 % до-0.6±0.4% , а для ПЭВП от 3.4 % до 0.25±0.1%, соответственно.

5. Методами СЭМ и РФС показано, что количество адгезированных тромбоцитов и степень их морфологических изменений тем ниже, чем больше относительная концентрация кислородсодержащих групп на поверхности ПЭНП, ПТФЭ и ПУ.

6. Найдены оптимальные режимы ВУФ-облучения для ПЭНП (45 мин.,

2.5 торр), ПТФЭ (45 мин., 2.5 торр) и ПУ (30 мин., 10 торр), обеспечивающие наименьшую в условиях in vitro активацию тромбоцитов, обусловленную контактом клеток с поверхностью полимерных материалов.

Доказана возможность применения В УФ-излучения для ре1улирования биологических свойств синтетических полимерных материалов медицинского назначения.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Разработанный способ модифицирования физико-химических свойств поверхности полимерных материалов вакуумным ультрафиолетовым излучением может быть использован для: гидрофилизации поверхности медицинских изделий с целью повышения их имплантационных характеристик (искусственные хрусталики глаза и другие имплантаты из полимерных материалов); снижения адсорбции белков с целью улучшения функциональных свойств биосенсоров; создания амфифильных структур на поверхности гидрофобных медицинских полимеров с целью имитации гидрофильно-гидрофобной микроструктуры поверхности нативных тканей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кузнецов, Артем Викторович, 2005 год

1. Sariri R. Protein interaction with hydrogel contact lenses. Journal of Applied Biomaterials & Biomechanics, 2004, № 2, p. 1-19.

2. Севастьянов В.И. Биосовместимые материалы медицинского назначения. Перспективные материалы, 1997, № 5, стр. 41-55.

3. Belanger M.S., Marois Y. Hemocompatibility, biocompatibility, inflammatory and: in vivo studies of primary reference?materials: low-density polyethylene and; polydimethylsiloxane: A review. Journal of Biomed Mater Res, 2001, 58 (5), p. 467-477.

4. Адамян A.A. Основные направления; и перспективы; в создании; и клиническом? применении» полимерных материалов. Биосовместимостъ, 1994, № 2, стр. 97-106.

5. Anderson J.M. Biomaterials and medical implant science: Present and future: perspectives: A summary report: Journal of Biomed. Mater. Res., 1996, 32, p. 143-147.

6. Биосовместимость, под ред. Севастьянова В.И., М.\ ПУП «Информационный центр ВНИИгеосистем», 19991

7. Севастьянов В:И. Биоматериалы, для искусственных органов. Вестник трансплантологии и искусственных органов, 2001, №3-4, стр. 123-131.

8. Титушкин И.А., Васин СЛ., Алехин А.П., Розанова ИБ.,. Исаев В.И., Севастьянов В.И. Влияние структурных и энергетических свойств углеродных покрытий; на адгезию тромбоцитов человека. Медицинская техника, 1999, №5, с. 43-51.

9. Titushkin I.A., Vasin S.L., Rosanova I.В., Pokidysheva E.N., Alekhin A.P., Sevastianov V.Il Carbon-coated polyethylene: effect of surface energetic and topography on human platelet adhesion. ASAIO Journal, 2001, Vol. 47, p. 11-17.

10. Vasilets: V.N., Kuznetsov A.V., Sevastianov V.I. Vacuum ultraviolet treatment of polyethylene to change surface properties and characteristics of protein adsorption. J. Biomed. Mater. Research, Part A, 2004, V: 69A, p. 428-435:

11. Немец Е.Л., Порунова Ю.В., Друшляк И.В., Беломестная* З.М., Севастьянов В.И. Влияние: природы функциональных химических групп поверхности;на медико-биологические свойства материалов для контакта с кровью. Перспективные материалы, 1999, № 6, стр. 36-41.

12. Шитикова А.С. Тромбоцитарный гемостаз. Санкт-Петербург: Издательство СПб ГМУ; 2000.

13. Grunkemeier J.M., Tsai W.B., Horbett Т.А. Hemocompatibility of treated polystyrene substrates: Contact activation, platelet adhesion; and procoagulant activity of adherent platelets. J. Biomed. Mater. Res., 1998, Vol. 41, p. 657-671.

14. Waples L.M., Olorundare O.E., Goodman S.L., Lai Q.J., Albrecht R.M. Platelet-polymer interactions: morphologic and; intracellular free calcium studies of individual human platelets. /. Biomed. Mater. Res., 1996, Vol. 32, p. 65-76.

15. Nagaoka S., Nakao A. Clinical application of antithrombogenic hydrogel with long poly (ethylene oxide) chains. Biomaterials, 1990, №1 lrp. 119-121.

16. Sagnella S, Kvvok J, Marchant RE, Kottke-Marchant K. Shear-induced platelet activation and adhesion: on human pulmonary artery endothelial cells seeded onto hydrophilic polymers. J. Biomed. Mater. Res., 2001, Vol. 57, p. 419-431.

17. Ratner B.D. The: blood? compatibility catastrophe, editorial. J. Biomed; Mater: Res., 1993, Vol. 27. p. 283-287.

18. Kato К., Vasilets V.N., Fursa M.N., Meguro М., Ikada Y., Nakamae К. Surface Oxidation of Cellulose Fibers by Vacuum Ultraviolet Radiation.

19. Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 1999, Vol. 37, p. 357.

20. Wertheimer M.R., Fozza A.C., Holländer A. Industrial Processing of Polymers by Low-pressure Plasmas: the Role of VUV radiation; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research; B, 1999, №151, p. 72.

21. Hudis M., Prescott L.E., Polym. Lett., 1972, №20, p. 179-183.

22. Hudis M., Surface crosslinking of polyethylene using hydrogen glow discharge J. Polym. Sei., 1972, №16, p. 2397-2415.

23. Дорофеев 10.И., Городецкий И.Г., Скурат В.Е., Тальрозе В Л. Образование двойных; связей: в; полиэтилене под действием! света; 1470 Â. Химия высоких энергий, \916,1. 10, №5, стр. 456-4581

24. Дорофеев Ю.И., Скурат В.Е. Температурный- эффект в фотолизе1 полиэтилена светом 1470 и 1236 Ä. ДАН СССР, Физическая химия, 1978; т. 227, №3; стр. 652-655.

25. Дорофеев Ю.И., Скурат В.Е. Сшивание некоторых полимеров при действии света 147 и 123.6 нм. Измерение доз гелеобразования. ДАН СССР: Физическая химия, 1979; стр. 1142-1146.

26. Дорофеев Ю.И., Скурат В.Е.', Итоги; науки и техники, серия Радиационная химия. Фотохимия, М.: ВИНИТИ, 1983, т. 3, стр. 66.

27. Benson R.S. Use of radiation in biomaterials science Nucl. Instr; and; Meth. in Phys. Res. B, 2002, №191, p. 752-757.

28. Truica-Marasescu F., Jedrzejowski P., Wertheimer M.R. Hydrophobic Recovery of Vacuum Ultraviolet Irradiated Polyolefin Surfaces. Plasma Process. Polym. , 2004, №1, p. 153-163.

29. Niino H., Yabe A. Excimer laser ablation of polyethersulfone derivatives: periodic: morphological micro-modification on ablated surface. J. Phototiiol. A: Chem:, 1992, №65, p. 303-312.

30. Yabe A., Niino H. Polymer Ablation with! Excimer Laser. Moll Cryst. Liq. Cryst. , 1993, Vol. 224, p. 111-121.

31. Grasel T.G., Cooper S.L. J. Biomed. Mater. Res., 1989, Vol. 23, p. 311338.

32. Ebert C.D., Lee E.S., Kim S.W. Adv. CHem. Series., 1982, №. 199, p. 161-176.

33. Немец E.A., Егорова B.A., Кузнецов A.B., Севастьянов В.И. Влияние сульфирования поверхности полиэтилена на; адсорбцию белков плазмы и активацию внутреннего пути свёртывания крови. Перспективные материалы., 2001, №6, стр. 70-75.

34. Titushkin I.A., Vasin S.L., Rozanova I.BI et ah Carbon Coated

35. Polyethylene: Effect: of Surface Energetic and Topography on Human

36. Platelet Adhesion. ASAIO Journal, 2001,,Vol; 47, p. 11-17.

37. Уикли Б. Электронная! микроскопия для начинающих. Mi: Мир\1975.

38. Goodman S.L. Sheep, pig, and human platelet-material interactions with model cardiovascular biomaterials. J. Biomed. Mater: Res., 1999, Vol; 45(3), p. 240-250:

39. Sheppard. J.I.,. McClung W.G., Feurstein I.A. Adherent platelet morphology on: adsorbed; fibrinogen: effects of protein incubation time; and albumin addition. Biomed. Mater. Res., 1994, Vol. 28, p. 11751186.

40. Неницеску К. Д. Органическая химия, М.: «Иностранная литература», 1963, т. 1, стр. 514.