Материал: Polioxialkanoaty_POA__biorazrushaemye_polimery_dlya_meditsiny

исследований, реальное количество больных составляет более 8 млн человек. Несмотря на определенные достижения последних лет, современная терапия сахарного диабета по-прежнему не обеспечивает полноценной компенсации патологического состояния. Основной причиной ранней инвалидизации и сокращения продолжительности жизни являются диабетические ангиопатии и нейропатии. Поэтому ведется разработка новых подходов к лечению, которые могли бы существенно повлиять на течение диабетических ангиопатий. Одним из таких подходов, как альтернатива трансплантации поджелудочной железы при лечении инсулинозависимых больных, является создание биоискусственной поджелудочной железы. Созданные к настоящему времени гибридные системы, состоящие из функционирующих островковых клеток поджелудочной железы ( -клеток), заключенных в иммуноизолирующие мембраны можно разбить на три группы (Шумаков с соавт., 1995; Трансплантология, 1995; Bioartificial Organs, 1997; Brissova et al., 1998; Bioartificial Organs II, 1999; Bioartificial Organs III, 2001):

–микрокапсулы с размером от 100 до 800 мкм;

–экстраваскулярные диффузионные камеры, включая макрокапсулы;

–интраваскулярные диффузионные камеры.

Источниками островковых клеток служат поджелудочная железа свиньи, быков и коров, кроликов, реже – плодов человека и новорожденных.

Широко используемыми материалами при микрокапсулировании

-клеток являются (Sun et al.,1993; Iwata et al., 1994; Ohgawara et al., 1994; Lanza et al., 1995; Shoichet et al., 1996; Bioartificial Organs, 1997; Shapiro and Cohen., 1998; Lacik et al.,1998; Hisano et al., 1998; Bioartificial Organs II, 1999; Bioartificial Organs III, 2001):

–альгинат (смесь -D-мануроновой кислоты и -L-гуалуроновой кислоты) и его производные;

–агарозы и их производные;

–сульфат целлюлоза;

–полиакрилаты, например, сополимеры р-НЕМА с метилметакрилатом;

–полиэлектролитные комплексы сульфат альгината с поли-L- лизином;

–полиэтиленгликоли.

Среди перечисленных материалов наиболее часто применяют альгинат-лизин-альгинатные микрокапсулы (Park et al., 1993; Biomedical Polymers, 1994).

Макрокапсулы, экстра- и интраваскулярные диффузионные камеры изготавливаются из различных материалов (Park et al., 1993; Biomedical Polymers, 1994; Bioartificial Organs I, 1997; Bioartificial Organs II, 1999; Bioartificial Organs III, 2001):

35

–пористых систем из сегментированных полиэфируретанов (СПУ) и блоксополимеров СПУ с силоксанами;

–полупроницаемых мембран из полисахаридов;

–полупроницаемых мембран на основе производных альгинатов;

–полупроницаемых мембран из гидрогелей и их сополимеров

на основе полиакриламидов, поливинилового спирта и поли- акрилонитрил-сульфат метисульфоната (гидрогель AN69).

До клинических испытаний допущены пока гибридная поджелудочная железа с использованием алло- -клеток. По данным Международного регистра трансплантации островков поджелудочной железы с 1974 г. применена в медицинских центрах Европы и США на 236 больных. Пока только в 9 % случаев была достигнута инсулиннезависимость реципиентов по меньшей мере в течение одной недели после начала функционирования гибридной системы.

Таким образом, главная особенность биоматериалов нового поколения заключается в моделировании (синтетические материалы) или в воспроизводстве (гибридные материалы) свойств живых биологических тканей таким образом, чтобы, при необходимости, полностью или частично, временно или постоянно заместить функции тех или иных утраченных органов.

Тем не менее, несмотря на определенный успех в области биоимитирования естественных органов и тканей, проблема разработки адекватных гибридных структур требует дальнейшего поиска новейших методов в области моделирования, синтеза, воспроизводства и анализа соответствующих биологических тканей (таблица 1.9) (Ratner, 1993).

Таблица 1.9 Современные метода и подходы, которые могут быть использованы

для разработки биоматериалов нового поколения (Ratner, 1993)

36

Глава 2. ПОЛИОКСИАЛКАНОАТЫ – ПРИРОДНЫЕ ПОЛИЭФИРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Полиоксиалканоаты по ряду физико-химических свойств сходны с широко применяемыми и выпускаемыми в огромных количествах и не разрушающимися в природной среде синтетическими полимерами (полипропиленом, полиэтиленом). Помимо термопластичности, полиоксиалканоаты обладают оптической активностью, антиоксидантными свойствами, пьезоэлектрическим эффектом и, что самое главное, они характеризуются биоразрушаемостью и биосовместимостью. Полиоксиалканоаты чрезвычайно различаются между собой по структуре и свойствам (гибкости, кристалличности, температуре плавления и др.) в зависимости от таксономического положения и физиолого-биохимических свойств микроорганизмов-продуцентов, условий биосинтеза и типа углеродного субстрата. Более того, возможности получения на основе ПОА композитов с различными природными и синтетическими материалами, позволяющие направленно изменять их структуру, состав и, следовательно, базовые свойства материала – пластичность, механическую прочность, температурные и другие характеристики, еще более усиливает привлекательность ПОА и расширяет возможные сферы применения.

Линейная структура молекул ПОА придает им свойство термопластичности и изменения прочности (возрастание по направлению растяжения). При нагревании молекулярные цепи в ПОА легко сдвигаются относительно друг друга, в результате этого материал размягчается и приобретает текучесть. Данное технологическое свойство имеет большую коммерческую ценность, так как позволяет с использованием различных методов (прессования, экструзии и др.) получать из ПОА разнообразные изделия и материалы. Следует отметить, что при переработке и прессовании широко используемых в настоящее время многих синтетических пластиков необходимы различные добавки (стабилизаторы, наполнители, красители и пр.). Этого можно избежать при переработке полиоксиалканоатов, которые хорошо формуются из растворов и порошков. Гомогенный полиоксибутират по механическим свойствам сходен с полипропиленом и полистерином, однако обладает лучшими газобарьерными свойствами (например, по отношению к кислороду) и большей устойчивостью к ультрафиолету, характеризуется также хорошей водостойкостью и теплоустойчивостью, при этом его проницаемость для водяного пара втрое ниже по сравнению с полипропиленом.

37

Из ПОА возможно получение гибких пленок различной толщины, в том числе полупроницаемых мембран, нитей, нетканых материалов, различных полых форм (бутыли, контейнеры, коробки и пр.), а также гелей и клеев. Совокупность свойств, характерных для ПОА, делает их перспективными для применения в различных сферах, – медицине, фармакологии, пищевой и косметической промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве, радиоэлектронике и других сферах (Abe, Doi, 1992; Brandle et al., 1990; Luzier, 1992; Muller, Seebach, et al., 1993). Масштабы применения полиоксиалканоатов в настоящее время сдерживаются достаточно высокой стоимостью (практически на порядок более высокой по сравнению с полиолефинами). Однако возрастающие требования к охране окружающей среды, с одной стороны, и имеющиеся перспективы снижения стоимости биополимеров за счет повышения эффективности производства, с другой, делают полиоксиалканоаты одним из перспективных материалов XXI века.

Уже сейчас сферы применения полиоксиалканоатов – самые различные. Данные материалы активно исследуются с целью переработки в США, Скандинавии и Европе, Японии, Германии и Голландии. Совет объединенной Европы утвердил концепцию необходимости замены не разрушаемых синтетических пластиков биодеградируемыми полимерами, а с 1993 г санкционировано применение упаковочной продукции из ПОА в пищевой промышленности.

2.1. История открытия и развития исследований полиоксиалканоатов

Первым из полиоксиалканоатов был обнаружен полиоксибутират. В настоящее время известно свыше 100 различных полиоксиалканоатов. Полиоксиалканоаты накапливаются в бактериальных клетках в виде гранул, которые при окрашивании хорошо визуализируются микроскопически. Данные включения в бактериях наблюдал Бейеринк в 1888 году (цит. по Cromwick, 1963), но первое изучение ПОБ было проведено существенно позже (Lemoigne, 1927). Автор выделил из бактерий Bacillus megaterium два компонента, которые, по его мнению, являлись продуктом гидролиза полиоксибутирата. Оба продукта имели эмпирическую формулу (C2H3O3), один из них кристаллизовался, имел температуру плавления 120ºС, другой был аморфен и плавился при 157ºС. Позднее Лемонг доказал, что оба компонента являются полиоксибутиратом, но обладают различным молекулярным весом.

В течение последующих 30 лет особого интереса полиоксибутират не вызывал. И только после появления в 1958 году первой работы по физиологической роли ПОБ (Macrae, Wilkinson, 1958), к данно-

38

му соединению возник интерес. В этой работе авторы установили, что накопление ПОБ в бактериях происходит при высоких значениях соотношения углерод/азот в среде, а его распад наблюдается при отсутствии экзогенных источников энергии и углерода. Это позволило им предположить, что ПОБ является внутриклеточным резервным соединением.

После этой публикации интерес микробиологов и биохимиков к ПОБ начал возрастать, и в течение последующих 40 лет разворачивались всесторонние исследования природы процесса аккумуляции полиоксибутирата различными микроорганизмами. До конца 1973 г. ПОБ вызывал интерес главным образом в связи с его физиологической ролью в жизнедеятельности микроорганизмов и обусловленностью влиянием факторов среды на его синтез и реутилизацию. Разразившийся осенью 1973 г. нефтяной кризис и последующий рост цен на нефть как не возобновляемого источника энергии и сырья привел стран-участниц OPEC, контролирующих рынок пластмасс, к пониманию необходимости поиска альтернативных нефтехимическому синтезу полиолефинов способов получения пластиков.

В1976 г. в Великобритании концерн ICI первым развернул коммерческие исследования микробиологического процесса получения полиоксибутирата на сахаросодержащих субстратах, извлекаемых из растительных биомасс (Senior, 1984). Но не только возможность синтеза ПОБ из возобновляемого сырья стимулировала и поддерживала эти исследования. Большой интерес вызвало сообщение о том, что бактериальный полиоксибутират термопластичен аналогично полипропилену (King, 1982). Выявленные другие свойства ПОБ – биоразрушаемость и биосовместимость, пьезоэлектрические свойства и возможность использования в качестве источника оптически активных молекул (Howells, 1982) не только поддерживали, но и усиливали интерес ICI к бактериальному процессу получения полиоксибутирата, несмотря на то, что нефтяной кризис стал спадать.

Впоследующие годы интерес к изучению процесса биологического синтеза полиоксибутирата расширялся. Было установлено, что ПОБ синтезируется с различными выходами многими прокариотическими микроорганизмами (к настоящему времени их насчитывается свыше

300)с использованием различных субстратов. Однако для промышленного применения было выделено всего несколько высокопродуктивных и перспективных микроорганизмов, эффективно синтезирующих полиоксибутират с использованием ряда субстратов: сахаров, метанола, углеводородов, смесей водорода и углекислоты (водородокисляющие бактерии Alcaligenes eutrophus (недавно переименованные в

Ralstonia eutropha), Alcaligenes latus, азотфиксаторы Azotobacter vinelandii, псевдомонады Pseudomonas oleovorans, метилотрофы

39