Синтез магнитовосприимчивых полимерных дисперсий биомедицинского назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.06, кандидат химических наук Буряков, Андрей Николаевич

• Буряков, Андрей Николаевич
• кандидат химических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат химических наук Буряков, Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР (МАГНИТОВОСПРИИМЧИВЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МИКРОНОСИТЕЛИ).

1.1. Магнитовосприимчивые носители - конструкция и пути синтеза. б

1.2. Магнитные жидкости, способы получения и свойства.

1.3. Методы синтеза высокодисперсных частиц металлов и жидкостей на их основе.

1.4. Получение магнитных жидкостей на основе магнетита.

1.5. Магнитовосприимчивые микросферы - способы получения и области применения.

1.6. Полимерные микроносители - возможности применения и пути синтеза.

1.6.1. Микроносители для культивирования клеток.

1.6.2. Суспензионная полимеризация как метод получения 31 полимерных микроносителей.

Глава II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

II. 1. Исходные вещества.

11.2. Методы исследования.

11.3. Способы синтеза.

Глава III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

III. 1. Синтез магнитовосприимчивых полимерных микроносителей с размерами частиц в интервале

100-250 мкм.

111.2. Синтез магнитовосприимчивых полимерных микросфер с размерами интервале 0.5-8 мкм.

111.3. Получение наполненных полимерных дисперсий с размерами частиц в диапазоне 0.04-0.5 мкм.

111.4. Синтез магнитовосприимчивых полиакролеиновых микросфер.

Глава IV. ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез магнитовосприимчивых полимерных дисперсий биомедицинского назначения»

Магнитовосприимчивые микроносители, как одна из разновидностей магнитоуправляемых дисперсных систем, являются наиболее интенсивно развивающимися современными средствами для решения целого ряда задач, биомедицинской биотехнологии, микробиологии, иммунологии, клеточной биологии и медицины, паразитологии, биохимии и экологии.

Магнитовосприимчивые микроносители представляют собой частицы различных природных и синтетических материалов с размерами от 0.01 до 1000 мкм, содержащие высоко дисперсные частицы железа, кобальта, никеля, различных магнитных оксидов и других веществ, обладающих магнитными свойствами.

Такие микроносители используются в аппаратах для проведения ферментативных реакций, в качестве биоаффинных сорбентов для выделения различных биологически-активных веществ и клеточных органелл из смесей таких веществ и клеточных гомогенатов, для выделения клеток отдельных линий, культивирования клеток, в различных видах иммуноанализа, в качестве магнитных меток, для направленного транспорта лекарств в организме человека с помощью магнитного поля .

Метод магнитной сепарации с использованием магнитовосприимчивых дисперсных систем позволяет существенно упростить и ускорить процессы разделения ценных биологически-активных соединений по сравнению с различными вариантами колоночной хроматографии и другими методами. Кроме того, метод магнитной сепарации предоставляет возможность проводить некоторые операции, неосуществимые другими способами -например, позволяет освобождать кровь пациентов от поражённых клеток, возвращая её обратно без замены на донорскую.

Для большинства областей использования требуются микроносители с суперпарамагнитными свойствами, то есть практически не имеющие остаточной намагниченности частиц и несклонные образовывать ассоциаты частиц в отсутствие магнитного поля после хотя бы однократного намагничивания.

В зависимости от того, в какой из вышеперечисленных областей будет использована магнитовосприимчивая дисперсная система, требуется различный размер частиц дисперсной фазы.

Лёгкость управления частицами магнитовосприимчивых полимерных дисперсий магнитными полями зависит от степени наполнения частиц дисперсий магнитным материалом и его магнитных свойств. Учитывая, что в технике обычно используются магнитные поля с напряжённостями, как правило, 3-4 кЭ, применяются дисперсии с относительно высоким содержанием магнитного наполнителя (не менее 10% в расчёте на массу частиц).

Следует также отметить, что магнитовосприимчивые микроносители должны иметь возможно более узкое распределение частиц по размерам. Полидисперсность таких систем приводит к различным скоростям дрейфа частиц в магнитном поле, что накладывает серьёзные ограничения на использование их в вышеуказанных целях.

Таким образом, для применения магнитовосприимчивых полимерных дисперсий в различных тонких и наукоёмких технологиях необходимо располагать системами, доступными в широком диапазоне размеров частиц с узким распределением частиц по размерам и относительно высоким содержанием магнитного наполнителя.

Метод магнитной сепарации на магнитовосприимчивых полимерных микроносителях позволяет получать вещества с высокой степенью чистоты и сохранением нативных свойств.

Магнитовосприимчивые микроносители могут найти применение также для очистки сточных вод от промышленных загрязнений, в том числе слабозагрязненных вод (наиболее сложные и дорогостоящие операции в процессах очистки), для опреснения и обесщелачивания воды, кроме того, могут успешно конкурировать с традиционными сорбентами в технологиях различных процессов разделения.

Биотехнология, как отрасль материального производства, использует биологические процессы и системы для получения разнообразных продуктов. Методы биотехнологии могут в немалой степени ускорить и сам процесс создания новых продуктов, предназначенных для использования в медицине, сельском хозяйстве и других областях практической деятельности человека.

Одной из важнейших задач биотехнологии, особенно - биомедицинской биотехнологии, является выращивание культур клеток тканей животных и человека. Культивирование клеток данного типа довольно сложный и трудоемкий процесс. Рост культуры возможен лишь в условиях прикрепления клеток к какой-либо нетоксичной подложке - субстрату. Ранее для этого использовались плоскостенные фляги из органического или обычного стекла. При малых площадях прикрепления клеток и трудностях, связанных с обеспечением необходимого для нормальной жизнедеятельности клеток газо-и массообмена, эффективность процесса незначительна. Интенсификация газо- и массообмена за счет перемешивания среды в аппаратах роллерного типа, вращающихся бутылях, на эффективности процесса сказывается мало.

Метод культивирования на микроносителях вследствие существенного увеличения площади поверхности субстрата позволяет значительно повысить плотность клеток в данных объемах (до 108 кл/мл против 10б кл/мл) и добиться удовлетворительной эффективности процесса. Микроноситель представляет собой микрокапсулы природных или синтетических полимеров с размерами 90 - 350 мкм. Однако серьезные сложности возникают при перемешивании микроносителя с иммобилизованными (прикрепленными) на нем клетками. Частые столкновения частиц носителя приводят к повреждению клеточных мембран и даже их разрушению. Это вызывает гибель клеток и загрязняет среду продуктами разрушения. Замена лопастных перемешивающих устройств аэролифтом позволяет несколько снизить клеточный "травматизм", однако, 6 это нежелательное явление не устраняется. Клетки повреждаются самими газовыми пузырьками при их схлопывании в жидкой среде, а также возникает проблема гашения пены в культиваторе. Таким образом, сейчас сохраняется актуальность разработки способа культивирования в "щадящих" условиях и создание соответствующего аппарата.

Большой интерес представляют магнитовосприимчивые полимерные микрокапсулы, которые могут быть использованы в качестве носителя для суспензионного культивирования эукариотических клеток.

Основное преимущество магнитовосприимчивых полимерных микроносителей - возможность удержания и перемещения частиц с растущими на них клетками внешним магнитным полем без механического перемешивания среды.

Настоящая работа является частью работ по созданию новых полимерных дисперсных систем биомедицинского назначения, проводимых в лаборатории "Полимеры для биологии" ИБХ им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН и кафедре "Синтеза полимеров" МГАТХТ им. М.В. Ломоносова. Цель работы состоит в синтезе полимерных дисперсий, обладающих суперпарамагнитными свойствами, доступных в широком диапазоне диаметров частиц и характеризующихся относительно узким распределением по размерам.

Заключение диссертации по теме «Высокомолекулярные соединения», Буряков, Андрей Николаевич

Глава IV ВЫВОДЫ.

1 На основе систематических исследований полимеризации виниловых мономеров предложен новый подход к синтезу магнитонаполненных полимерных дисперсий в присутствии олигомерных веществ, выполняющих одновременно роль инициаторов полимеризации и стабилизаторов полимерной дисперсии.

2 Показано, что для получения агрегативно-устойчивых наполненных полимерных дисперсий с одинаковым содержанием магнетита в частицах и равномерным распределением его внутри частиц необходимо предварительное приготовление агрегативно, седиментационно, и магнитофоретически устойчивой дисперсии магнитного наполнителя в мономере или смеси мономеров.

3 Определены условия синтеза и впервые получены полиакролеиновые дисперсии со строением магнитное ядро - полимерная оболочка и узким распределением частиц по размерам методом анионной полимеризации.

4 Разработан способ синтеза магнитовосприимчивых полимерных композиционных микросфер с диаметрами частиц в интервале 0.5-8 мкм, содержащих флуоресцентный краситель во внешнем полимерном, немагнитном слое и функциональные карбоксильные, диметиламино- и эпоксидные группы на поверхности.

5 Получены магнитовосприимчивые полимерные носители для использования в процессах магнитной сепарации и культивирования клеток тканей животных и человека.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Буряков, Андрей Николаевич, 2000 год

1. 1.o Safafik, Marika Safarikova, Review. Use of magnetic techniques for the isolation of cells.// Journal of Chromatography B, 1999, v. 722, p.33-53.

2. Hirschbein B.L., Whitesides G.M., Appl. Biochem., Biotechnol., 1982, v.7, №3, p.157-176.

3. Molday R.S., Yen S.P.S., Rembaum A., Nature (London), 1977, v.268, №4, p.437-438.

4. Instruments and Reagents for Magnetic Cell Sorting, Information Booklet Miltenyi Biotec GmbH, Bergisch Gladbach, Germany, 1999.

5. Guesdon J.L., Thierry R. & Avrameas S., Magnetic enzyme immunoassay for measuring human IgE.// J. Allergy clin. Immun., 1978, v.61, p.23-27.

6. Mary Meza, Application of magnetic particles in immunoassays., Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers edited by U.Hafeli et al.// Plenum Press, New York, 1997, p. 303-309.

7. Senyei A., Widder K., Czerlinski G., Magnetic guidance of drug-carrying misrospheres.// J. Appl. Phys., 1978, v.49, №6, p.3578-3583.

8. Cell Separation and and Protein Purification, Information Booklet, Dynal, Oslo, Norway, 1996.

9. Munro P.A., Dunnill P. & Lilly M.D., Nonporous magnetic materials as enzyme supports: studies with immobilized chymotrypsin.// Biotechnol. Bioeng,, 1977,v.19, p.101-124.

10. Вонсовский C.B., Магнетизм,- M.: Наука, 1971, 1032 с.

11. Mosbach К., Andersson L., Magnetic ferrofluids for preparation of magnetic polymers and their application in affinity chromatography.// Nature, 1977, v.27, №5634, p.259-261.

12. Hailing P.J., Dunnill P., Ensyme. Microbiol. Technol,, 1980, v.2, p.2

13. HershL.S., Clin. Chim. Acta, 1975, v.63, p.69-72.

14. Margel S. and Bamnolker H, Synthesis and use of new magnetic and non-magnetic, solid and hollow microspheres.// 1995, Patent pending (PCT, US 12988).

15. Andres U.T., Magnetic liquids.// Mater. Sei. Eng., 1976, v.26, №2, p.269-275.

16. Widder К., Fleuret G., Senyei A., Magnetic microspheres: synthesis of novel parenteral drug carrier.// J. Pharm. Sei., 1979, v.68, p.79-82.

17. Charles F. Driscoll, Robert M. Morris, Andrew E.Senyei, Kenneth J. Widder and Gerald S. Heller, Magnetic Targeting of Microspheres in Blood Flow.// Microvascular Res., 1984, v.27, p.353-369.

18. Kandzia J. et al., J. Immunol. Meth., 1984, v.75, p.31-41.

19. Molday R.S., Mackenzy D., Immunospecific ferromagnetic iron-dextrane reagents for the labeling and magnetic separation of cells.// J. Immunol. Meth., 1982, v.52, №3, p.353-367.

20. Kronic R.L., Campball G.L., Joseph K., Science, 1978, v.200, p.1074-1076.

21. Rembaum A., Yen S,P.S., Molday R.S., Synthesis and Reactions of Hydrophilic Functional Microspheres for Immunological Studies.// J. Macromol. Sei., 1979, A-13, №5, p.603-632.

22. S.P.S Yen, A. Rembaum, R.S. Molday, W.J. Dreyer, Emulsion Polymerization.// ACS Symposium Series, Washington, D.C., 1979, №24, p.236-257.

23. Бибик E.E., Автореферат докторской диссертации, ЛГИ им. Ленсовета, 1971.

24. Воюцкий С.С., Курс коллоидной химии, М„ Химия, 1975.

25. Elmore W.C., Phys. Rev., 1938, v.54, p.309.

26. Rosensweig R.E. et al., J. Coll. Sei., 1969, v.29, p.680.27