Материал: Polioxialkanoaty_POA__biorazrushaemye_polimery_dlya_meditsiny

Хаггинса. Это, по-видимому, говорит о возникновении совместимости этих компонентов лишь при определенной концентрации. В следующей работе авторов (Yoon et al., 1999) для улучшения механических свойств полиоксибутирата (ПОБ) его смешивали с поли(цис-1,4- изопреном) (ПИП). В ходе изучения температурных характеристик расплавов этих компонентов их смешиваемости, однако, установлено не было. Для получения эффекта смешивания был добавлен третий компонент – поливинилацетат (ПВА). С увеличением доли ПИП с ПВА в трехкомпонентной системе температура стеклования домена ПОБ возрастала, в то время, как температура стеклования доменов ПИП оставалась практически постоянной. Это позволило заключить, что около половины доли ПВА распределяется в доменах ПОБ. Размер дисперсионной фазы тройной смеси был меньше, чем бинарной системы. Прочностные свойства тройной смеси были выше, чем у двойной. Совместимость полиоксибутирата с полилактидом исследована в работе (Yoon et al., 2000). При этом в качестве пластифицирующих агентов были использованы полиэтиленгликоль и поливинилацетат. Был использован полилактид (ПЛ) различного молекулярного веса. Полное смешение полилактида с полиоксибутиратом без пластификаторов происходило только при использовании низкомолекулярного ПЛ (11 700 и ниже), в то время, как при использовании ПЛ, имеющего 56 000 или 190 000 смешения не происходило. Применение пластификаторов не влияло существенно на механические свойства ПОБ/ПЛ. Когда ПОБ смешивали с сополимером полилактида с полиэтиленгликолем, температура стеклования смеси была выше, чем у ПОБ. Увеличение температуры стеклования в процессе смешивания зависело от соотношения компонентов. По мере увеличения доли ПЭГ в сополимере ПЭГ/ПЛ температура стеклования тройной смеси снижалась. Это может быть следствием того, что фрагменты ПЭГ внедряются в аморфную фазу полиоксибутирата.

Смешиваемость и структура бинарной смеси высокомолекулярного полилактида (680 000) с атактическим полиоксибутиратом различной молекулярной массы (9 400–140 000) изучены в работе (Ohkoshi et al., 2000). С увеличением доли полиоксибутирата в смеси наблюдали снижение температуры стеклования и общий пик плавления при 200°С как показатель смешиваемости низкомолекулярного ПОБ с полилактидом при соотношении компонентов 1:1. Скорость роста сферолитов полилактида возрастала по мере добавления низкомолекулярного ПОБ. Показано, что даже небольшие добавки низкомолекулярного полиоксибутирата увеличивают кристалличность полилактида. Однако при использовании высокомолекулярного ПОБ смешения его с полилактидом не происходило; в расплаве наблюдали два пика плавления.

155

В работе (Gürsel et al., 1998) исследован процесс получения композитов на основе биодеградируемых сополимеров оксибутирата с оксивалератом и недеградируемого синтетического полигидроксиэтилметакрилата. В зависимости от доли оксивалерата в сополимере (исследован диапазон от 7 до 22 мол. %) с ее увеличением улучшались механические свойства нового композита. Так, модуль упругости и абсолютная прочность возрастали на порядок. В полученных из композита мембранах пористость возрастала с увеличением доли оксивалерата в сополимере. Сделан вывод о перспективности композита биологического и синтетического полимеров для медицинских применений.

Частичное смешивание наблюдалось в композитах поли[(R) –3- оксибутирата] с 6-оксигексаноатом (Abe et al., 1999; 2000). Такие сополимеры имеют отличающуюся от полиоксибутирата и полиоксигексаноата кинетику кристаллизации и морфологию, включая размер сферолитов. Однако на поверхности таких пленок появлялась отдельная монокристаллическая фракция (R)-3-ПОБ, в результате «выдавливания» ее из кристаллической решетки полиоксигексаноата. В работе (An et al., 1999) получены смеси ПОБ с поливинилацетатом. В ходе изучения кинетики кристаллизации и плавления смесей оксибутирата с поливинилацетатом установлено, что добавление винилацетата приводило к снижению общей скорости кристаллизации ПОБ, но не влияло на механизм кристаллизации и геометрию растущих кристаллов ПОБ.

Смеси сополимеров оксибутирата с оксивалератом и поликапролактона, полученные растворением в хлороформе, изучены с применением ДСК (Chun and Kim, 2000). Установлено, что добавки капролактона подавляют кристаллизацию сополимера. Температура кристаллизации сополимера в данной смеси снижалась на 8–12°С по сравнению с чистым ПОБ-со-ПОВ. Получены смеси бактериального и синтетического полиоксибутирата с полиэпихлорогидрином (ПЭПХГ) и изучена проницаемость мембран на их основе для водяного пара и СО2. Как оказалось, добавление атактического полиоксибутирата к смеси увеличивало проницаемость материала вследствие снижения уровня кристалличности. В то время как добавление ПЭПХГ к ПОБ снижало проницаемость для водяного пара и СО2 (Miguel et al., 2001).

Химическая модификация полимеров и синтез их производных в настоящее время превращается в важное направление химии высокомолекулярных соединений.

Полиоксибутират при кислотном метанолизе гидролизуется с образованием низкомолекулярных полимерных цепей (DP = 26). Установлено, что данные продукты гидролиза ПОБ, а также олигомеры можно использовать для получения высокомолекулярных

156

блок-сополимеров путем растягивания полимерной цепи (Hirt et al., 1996). Гидроксильные группы образуемых цепей реагируют с AlEt3 c образованием макроинициирующих участков 3-ПОБ-О-AlEt2. Данные фрагменты могут быть использованы для завершения кольцевой полимеризации ε-капролактона и лактидных мономеров и получения ди-блоксополимеров с различной длиной цепей: 3-ПОБ-поликапро- лактона (ПКЛ), 3-ПОБ-D,L-полилактида и 3-ПОБ- L-полилактида А-Б (Reeve et al., 1993; Asrar et al., 1999).

Поли[RS]-3-оксибутират, химически синтезированный в реакции полимеризации с β-капролактоном в присутствии 1,4-бутандиола и имеющий вторичные терминальные гидроксигруппы в середине цепи, был использован для получения нескольких типов блок-сополимеров с L-лактидом (Hiki et al., 2000). В зависимости от степени полимеризации блоков температурные характеристики блок-солимеров [RS] полиоксибутирата с полилактидом существенно варьируют, а при изменении соотношения компонентов можно успешно контролировать механические свойства материала (таблица 4.1).

3-ПОБ-со-3-ПОВ-диол, полученный транс-этерификацией сополимера и этиленгликоля и использованием дибутилен-диларата в качестве катализатора, имел Тпл 140°С и значения Мв 2 300 Da. Есть сведения о применимости сополимера 3(ПОБ-со-ПОВ) в композиции с различными диолами для получения высокомолекулярных микрофазносегрегируемых блок-сополиэфиров типа ПОБ-со-ПОВ-уретаны (Hirt et al., 1996). Модуль упругости данных блок-сополимеров может составлять от 40 МПа до 1.3 ГПа в зависимости от размера фракции кристаллизованного 3(ПОБ-со-4 %ПОВ)-диола в блок-сополимере, тогда как не кристаллизованные типы сегментов практически не влияют на величину модуля упругости материала. Возможно улучшение механических свойств данного материала, например, разрывная прочность возрастает, а удлинение при разрыве уменьшается с увеличением в блок-сополимере доли 3(ПОБ-со-ПОВ)-диола.

Таблица 4.1 Механические свойства полимерных пленок из блок-сополимера {полилактид –

[(RS)-ПОБ]-полилактид- [(RS)-ПОБ]} (Hiki et al., 2000)

157

Данные блок-сополимеры рассматриваются в качестве подлежащих стерилизации биоматериалов для получения биодеградируемых имплантатов. Время эксплуатации таких имплантатов в зависимости от доли отделяемых «мягких сегментов» может исчисляться от нескольких дней до нескольких лет (Hirt et al., 1996). Случайное расщепление аморфной части данных блок-сополимеров может приводить к образованию мелких с низкой молекулярной массой фрагментов полиоксибутирата, которые фагоцитируются макрофагами и деградируют внутри фагосом in vitro и in vivo (Сiardelli et al., 1995).

Имеется серия работ, в которых изучены смеси атактического, синтезированного химически поли[(R,S)–3-оксибутирата], с изотактическим ПОБ, синтезированным биологически (Focarete et al., 1998; Miguel et al., 2001). Установлено, что добавление атактического полиоксибутирата к биологическому существенно влияет на кристаллизационное поведения изотактического ПОБ, а также свойства и проницаемость получаемых мембран, сохраняя, однако, свойства биоразрушаемости. Добавление поликапролактона к сополимерам ПОБ-со- ПОВ также существенно влияет на параметры кристаллизации и термальные свойства материала (Chum, Kim, 2000). Исследовано влияние добавок полиэтилен-block-полилактида к смесям поли[(R)-3- гид- роксибутирата]/поли(L-лактида) (Yoon et al., 2000) и установлено, что возможность совместимости этих двух смесей определяется молекулярной массой. Высокомолекулярный полилактид (свыше 56 КDa) не образует совместимых смесей с полиоксибутиратом. Однако свойства смесей, совместимых или не совместимых, не очень существенно различаются между собой. Именно такое смешивание обеспечивает получение биодеградируемых материалов на основе синтетических полимерных соединений с включениями биопластиков.

Для фармакологических, физиологических и медицинских целей интересны смеси (R )-4-амино-3-оксибутирата (4-АПОБ, этил-(R)-4- хлоро-3-оксибутирата (ЭХПОБ), метил-(R)-4-хлоро-3-оксибутирата, (S)- 3-гидрокси- -бутуролактона (Suzuki et al., 1999). Выявлено, что эти смеси обладают высокой оптической активностью. Большой интерес вызывает возможность использования полиоксиалканоатов для получения прочных, биодеградируемых и биоактивных керамик для реконструкции дефектов костных тканей. Оказалось, что ПОА, главным образом полиоксибутират и сополимеры оксибутирата с оксивалератом, образуют биосовместимые композиты с различными типами гидроксиапатитов (Doyle et al., 1991; Lukinska and Bonfield, 1997; Turesin et al., 2001 et al.).

Следует отметить, однако, что в настоящее время выбрать главный путь к улучшению и стабилизации свойств биополимеров не представляется возможным, так как в большинстве случаев их основные гидродинамические, физико-механические и динамические молекулярные свойства еще не изучены.

158

4.2. Процессы переработки полиоксиалканоатов

Полиоксиалканоаты относительно сложны для переработки изза их близости температуры плавления с температурой деградации, а также хрупкости. Есть также данные о нестойкости и термической деградации расплавов ПОА. Вследствие этого индекс текучести расплавов может во времени изменяться. Процесс также сопровождается образованием летучих продуктов в результате термической деградации. Низкая скорость кристаллизации ПОА приводит к липкости изделий, получаемых из расплава (пленки, волокна и др.).

Выделяемые из биомассы продуцентов образцы ПОА в принципе могут быть высокой степени чистоты. Поэтому при расплаве, например, химически чистых образцов ПОБ, в ходе кристаллизации происходит гомогенная нуклеация, однако плотность нуклеации ПОБ ниже, чем у полиэтилена и полипропилена. Тем не менее, возрастающая скорость при первичной нуклеации ПОБ может быть сопоставима с таковой у полипропилена и нейлона. Низкая скорость нуклеации у ПОБ приводит к образованию крупных сферолитов внутри полимера. Крупные сферолиты в значительной мере могут ухудшать физические и механические свойства полимеров. Изделия, получаемые при термической переработке ПОА, становятся со временем хрупкими (стареют).

Для исправления ситуации применяют различные подходы, включая использование пластификаторов, агентов, влияющих на процесс кристаллизации полимера, модификацию структуры полимеров, а также получение смесей и композитов с использованием различных соединений.

4.2.1. Роль нуклеирующих агентов в процессах кристаллизации ПОА

Проблеме кристаллизации ПОА уделено достаточно большое внимание в литературе. Однако многие вопросы, касающиеся кристаллизационных процессов и макромолекулярных свойствах сополимеров в том или ином фазовом состоянии, остаются не выясненными.

Общая скорость кристаллизации полимеров может быть увеличена применением нуклеирующих агентов, которые обеспечивают кристаллизацию расплавленных или стеклоподобных смол путем увеличения количества центров кристаллизации внутри полимера. Последнее приводит к уменьшению диаметра сферолитов, более быстрой потери клейкости, возрастанию механической прочности и сокращению длительности циклов термического процесса. По мере остывания расплава полимера и кристаллизации происходит выделение тепла. Область температуры выше кристаллизации полимера

– это область пика на ДСК термограмме, форма которого характери-

159