CC BY
21
УДК 541.183:532.64
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ БИОСОВМЕСТИМОСТИ ПОЛИОЛЕФИНКЕТОНОВ НА ОСНОВАНИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Ю.Г. Богданова, В.Д. Должикова, Г.П. Белов*, О.Н. Голодков*, А.Е. Чалых**
(кафедра коллоидной химии; e-mail: [email protected])
На основании измерений краевых углов смачивания определены энергетические характеристики поверхностей новых полимеров класса полиолефинкетонов: двойного сополимера (пропилен-СО, РСО) и тройного сополимера (пропилен-СО-этилен-СО, РЕСО) на границах полимер -воздух и полимер -вода. Показано, что введение в РСО этилен-СО сомономера приводит к увеличению его поверхностной энергии. Сопоставление межфазной энергии сополимеров на границе с водой с критериальным значением для кровесовместимых материалов показало, что РЕСО может быть рекомендован для дальнейших медико-биологических исследований в качестве кровесовместимого материала.
Известно, что материалы биомедицинского назначения должны быть биологически инертными, нетоксичными, обладать стабильными в условиях эксплуатации механическими и адгезионными характеристиками. Все эти факторы традиционно объединяют в понятие о биосовместимости полимерного материала, т.е. возможности его существования в живом организме или его контакта с живыми системами без отрицательных последствий [1-4].
В данной работе биосовместимость рассмотрена в аспекте кровесовместимости материала, что подразумевает низкую адгезию белков крови к поверхности при длительном контакте с кровью. Этот фактор чрезвычайно важен при выборе материала для изготовления имплантантов, поскольку, например, адсорбция фибриногена на их поверхности способствует тромбообра-зованию [5]. Прежде чем использовать медико-биологические методики для обстоятельного изучения биосовместимости материала, можно оценить потенциальную возможность его применения в медицине на основании простых экспрессных физико-химических тестов, в качестве которых, например, могут быть измерения краевых углов смачивания [3, 6, 7].
В работах, связанных с разработкой критериев кровесовместимости, показано, что поведение материала в биологической среде определяет межфазная энергия полимера на границе с водой [3]. Согласно концепции Е. Рукенштейна, для кровесовместимых
материалов межфазная энергия на границе полимер/ вода должна быть близка к межфазной
энергии клетка/плазма крови: для кровесовместимых материалов критериальное значение = 1-3
мДж/м2 [3]. Однако для полимерных материалов, используемых в медицинской практике, а.
S(W)/W
имеет
более широкий коридор значений. Например, для силиконового эластомера а8(№)/№ = 5,8 мДж/м2 [6]. В то же время а8(№)/№ < 1мДж/м2 не исключает возможности использования полимера в качестве крове-совместимого материала при условии, что не происходит заметного понижения его прочности при контакте с биологической средой [7].
Межфазная энергия полимера на границе с водой может быть рассчитана на основании измерений краевых углов в условиях натекания, оттекания и избирательного смачивания с использованием уравнений молекулярной теории смачивания [8]. Таким образом, метод смачивания открывает возможность прогнозирования кровесовместимости полимерных материалов. К числу биосовместимых полимеров относятся дифиль-ные блок-сополимеры полипропиленоксида, полиэти-леноксида, поливинилпирролидона, полигидроксибутира-та, поликапролактона, полиуретаны и т.д. [9-13].
Перспективными биосовместимыми материалами могут быть полиолефинкетоны - класс новых строго чередующихся сополимеров монооксида углерода (СО) с олефинами [14]. Исследование поверхностных
* Институт проблем химической физики РАН, отдел полимеров и композиционных материалов, лаборатория поликетонов, 142432, Московская обл., г. Черноголовка, проспект Академика Семенова, д. 1.
** Институт физической химии и электрохимии РАН, лаборатория структурно-морфологических исследований, 119991, Москва, Ленинский пр-т, д.31, кор.4.
■ H2 CH С
CH
O
С^ O
CH
H2
n PCO
H2
Nr
II
CH3 O
H2
.с.
CH
y
x
PECO
Рис. 1. Структурные формулы мономерных звеньев сополимеров пропилен-СО (PCO) и пропилен-СО-этилен-СО (PECO)
Рис. 2. Схема измерений краевых углов натекания (а), оттекания (б) и избирательного смачивания (б). Краевые углы обозначены в соответствии с методикой [3]
свойств полиолефинкетонов и определение их энергетических характеристик на различных межфазных границах чрезвычайно важно для оптимизации условий создания новых полимерных материалов для медицины и биотехнологии.
Вопрос о потенциальной кровесовместимости полиолефинкетонов до сих пор остается открытым. Цель данной работы - определить межфазную энергию в системе полиолефинкетон-вода и оценить воз-
можность использования полиолефинкетонов в качестве кровесовместимых материалов.
В работе исследованы два новых сополимера (рис. 1) - двойной сополимер пропилен-СО (РСО) и тройной сополимер - пропилен-СО-этилен-СО (РЕСО) [14]. Средневесовая молекулярная масса М№ = 4,8х104 для РСО и М = 25,5х104 для РЕСО.
Пленки полимеров наносили на поверхность алюминиевых пластинок размером 1х1,5 см из 3%-х растворов РСО в хлористом метилене и РЕСО в хлороформе. После нанесения пленки высушивали в течение 24 ч при комнатной температуре.
Измерения краевых углов проводили на горизонтальном микроскопе марки "МГ" с гониометрической приставкой в условиях натекания (иа) при нанесении капель объемом 0,01-0,02 мл на твердую поверхность (рис. 2, а), оттекания (и,.) при подведении пузырька воздуха к поверхности образца, погруженного в жидкость (рис. 2, б) и избирательного смачивания (и№0) при подведении капли октана к поверхности
образца, погруженного в воду (рис. 2, в). Значения краевых углов определяли через 3 мин после контакта капель с поверхностью (закрепления пузыфька на поверхности). Точность измерения углов ±1°. Для каждого образца измеряли краевые углы 6-9 капель. Среднеквадратичное отклонение при измерениях кра-евыгс углов составляло от ±1 до ±2°. Все измерения проводили при 20°С.
Для определения удельной свободной поверхностной энергии полимерных пленок использовали тестовые жидкости с известным значением поверхностного натяжения (табл. 1) [6, 15]. Поверхностную энергию полимеров (os) и ее полярную (о^) и дисперсионную (ods) составляющие рассчитывали на основании измерений краевых углов воды и этиленгликоля путем решения системы двух уравнений [16]:
(1 + cos 6 ) о = 2(od od )1/2 + 2(ор ор)1/2, (1)
4 ЬГ L1 4 L1 S У 4 L1 sy
(1 + cos 6 ) о = 2(od od )1/2 + 2(ор ор )1/2, (2)
4 ЬГ L2 4 L2 S У 4 L2 Sy
где 6L1 и 6L2 - краевые углы натекания тестовых жидкостей, О
L1-
аР ad
L2' L1
0^2 - полярная и дисперсионная составляющие поверхностного натяжения тестовых жидкостей; 03 = 0Р3 + 0^3. Поверхностное натяжение воды и этиленгликоля определяли методом Вильгельми (А0Ь = ± 0,5мДж/м2). Полярную и дисперсионную компоненты 0Ь определяли по краевым углам натекания жидкостей на тефлоне-4 (0 5 = 18 мДж/м2) по уравнению Джирифалко-Гуда-Фоукса-
3
Т а б л и ц а 1
Поверхностное натяжение (аь), дисперсионная (аьй) и полярная (а,р) составляющие для тестовых жидкостей
Т а б л и ц а 3
Жидкость ^ 2 мДж/м ~ а мДж/м2 оь, мДж/м2
Вода 50,8 21,8 72,6
Этиленгликоль (ЭГ) 19,0 29,3 48,3
Октан (О) [6] 0 21,8 21,8
:^-а^)1/2, (3)
Полимер РСО РЕСО
град. 81 62
9эг, град 63 50
6гл, град 77 64
о^, мДж/м2 11,5 30,4
аа& мДж/м2 15,7 8,4
мДж/м2 27,2 38,8
Энергетические характеристики полимеров, уравновешенных водой, на границе с водой
Юнга [17]. Погрешность при определении а8 составила Ла8 = ±(0,5 - 0,7) мДж/м2.
Межфазную энергию на границе полимер-вода а8№ рассчитывали по уравнению:
= а3 + - 2(а^-а^)1/2 - 2(аР,-а^)
где а№ а^ и аpW - поверхностное натяжение воды и его дисперсионная и полярная составляющие соответственно [8]. Расчет проводили, используя значения аW, а^ и ар^ (табл. 1) и величины а8, аdS и ар5 (табл. 2), рассчитанные по (1) и (2) на основании экспериментальных значений краевых углов тестовых жидкостей.
Межфазную энергию полимеров, уравновешенных с водой, на границе с водой а^^ определяли по методике Рукенштейна [3], которая заключается в следующем. Полимерные пленки выдерживали в течение 1 суток в воде, затем измеряли краевые углы капель октана (9С) и пузырьков воздуха (9У), подведенных к поверхности образцов, погруженных в воду. На основании этих измерений (в соответствии с [3])
Т а б л и ц а 2
Краевые углы натекания тестовых жидкостей (0№, 0ЭГ, 0гл) на поверхности полимеров и удельная свободная поверхностная энергия полимеров
Полимер РСО РЕСО
9у, град. 43 43
6о, град. 89 63
мДж/м2 22,8 26,8
С^да, мДж/м2 43,8 31,8
Ск^^^, мДж/м2 по методике [3] 8,9 3,6
Сад™, мДж/м2 расчет по (3) 14,5 3,9
рассчитывали равновесные значения полярной ар5(^) и дисперсионной а ) составляющих свободной поверхностной энергии полимеров, уравновешенных с
водой. Расчет а
проводили по уравнению:
г/_Р \ 1/2 , р ч1/2,2 . , , а Л/2
= К0^ - Ю } + {(а ^ -
, а Л/2,2 - (аw)
(4)
Для расчета aРS(W), а S(W) использовали следующие уравнения:
= (-aowcos 0о+ ^ - ао) /4аРw,
(5)
где а - межфазное натяжение на границе октан-вода, aw и ао - поверхностное натяжение воды и октана соответственно и
aаs(W) = (аowc0s 0о - аw С05 0У + ао)2/4ао.
OW о ^ V "о' о' (6)
Данные табл. 2 показывают, что поверхности обоих полимеров смачиваются водой (0 < 90°), при этом поверхность РЕСО более гидрофильна, что обусловлено наличием в структуре полимерной цепи этого сополимера фрагментов, содержащих блоки (этилен-СО-)и.
Сопоставление значений межфазной энергии aS(W)W РЕСО на границе с водой, определенное по методике Рукенштейна (табл. 3), совпадает с рассчитанным а^ по уравнению (3) в пределах погрешности определения этих величин. Для РСО а^, рассчитанное по уравнению (3), выше, чем значение а^^, полученное по методике Рукенштейна. Это можно объяснить тем, что в результате уравновешивания полимера с водой происходит переориентация поверхностных карбонильных групп, которая для РСО затруднена в связи с синхронной переориентацией метильных и карбонильных групп полимера (рис. 3).
H2
CH C
I и
CH3 O
CH3 O H2
H2 C
CH C CH C
H2C O 2H
/H.. H2C 'O
2C O
CH C> C H2
Рис. 3. Перестройка поверхностного слоя РСО при уравновешивании
водой
п
п
Расчеты по уравнениям (3) и (4) показывают, что PECO может быть рекомендован для дальнейших медико-биологических исследований в качестве кро-весовместимого материала: значение oSwW для этого полимера близко к критериальному.
Таким образом, энергетические характеристики поверхностей полиолефинкетонов, определенные в
совместимым материалом является полимер, содержащий значительное количество гидрофильных групп в цепи. Введение в цепь сополимера PCO фрагментов этилен-CO позволяет регулировать не только механические свойства полиолефинкетонов [18], но и открывает путь к направленному синтезу кровесовместимых полимерных материалов на их основе.
работе, указывают на то, что потенциально крове-
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 07-03-00363а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Платэ Н.А., Васильев А.Е. Физиологически активные полимеры. М., 1986.
2. Shtilman M.I. / Polymers for medico-biological use. VSP: Utresht-Tokyo. 2000. Part I. P. 247.
3. Ruckenstein E., Gourisankar S.V. // Biomaterials. 1986. 7. P. 403.
4. Измайлова В.Н., Ямпольская Г.П., Сумм Б.Д. Поверхностные явления в белковых системах. М., 1988.
5. Fukumura H., Hayash K., Yoshikawa S., Miya M., Yamamo-to N., YamashitaI. // Biomaterials. 1987. 8. Р.74.
6. Ruckenstein E., Lee S.H. // J. of Colloid and Int. Sci. 1987. 120. P. 153.
7. Ямпольская Г.П., Должикова В.Д. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2007. 48. № 1. С. 33.
8. АдамсонА. Физическая химия поверхностей. М., 1979.
9. Mequanint K., Patel A., Bezuidenhout D. // Biomacro-molecules. 2006.7. P. 883.
10. Hsu S.H., Tang CM., Lin C.C. // Biomaterials. 2004. 25. P. 5593.
11. Xu Z.K., Nie F.Q., Qu C., Wan L.S., Wu L., Yao K. // Biomaterials. 2005. 26. P. 589.
12. LiX., Loh J., Wang K., He C., Li J. // Biomacromolecules. 2005. 6. P. 2740.
13. Kacker S., Kim S.J., Sen A. // Adgew. Cem. Ed. 1998. 37. P. 1251.
14. Белое Г.П., Новикова E.B. // Успехи химии. 2004.73. № 3. С. 292.
15. Lee L.H. // Langmuir. 1996.12. P. 1681.
16. Kaelble D.H. // J. Adhesion. 1970. 2. P. 66.
17. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М., 1976.
18. Abu-Surran A.S., Rieger B. // Topics in Catalysis. 1999. 7. P. 165.
Поступила в редакцию 12.11.07
FORECAST OF BIOCOMPATABILITY OF POLYOLEFINKETONES
J.G. Bogdanova, V.D. Dolzhikova, G.P. Belov, O.N. Golodkov, A.E. Chalykh
(Division of Colloid Chemistry)
The energetic characteristics of the polyolefinketones' surfaces at the solid-gas and solid-water interfaces were determined using wetting contact angles. Two copolymers were investigated: double copolymer (propylene-CO, PCO) and ternary copolymer (propylene-CO-ethylene-CO, PECO). Incorporation of ethylene-CO-blocks in PCO leads to the surface energy increase. Comparison of interfacial energy at the solid-water interface to criteria one demonstrated the potential blood-compatibility of PECO copolymer.
