Способ формования криогелей поливинилового спирта

Способ формования криогелей поливинилового спирта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технологии высокомолекулярных соединений, а именно к полимерным криогелям, их получению и переработке с целью использования формируемых материалов в медицине, косметологии, технике и пр. Более конкретно изобретение относится к способу вторичного формования физических криогелей на основе поливинилового спирта (ПВС).

Полимерные криогели это гетерофазные макропористые гели, сформированные в результате криогенной обработки, т.е. замораживания растворов или дисперсий мономерных и полимерных предшественников, выдерживания таких систем в замороженном состоянии и последующего оттаивания [В.И. Лозинский. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения // Успехи химии. Т.71, №6. С.559-585 (2002)]. В частности, известны криогели на основе ПВС, в состав которых входит данный полимер и растворитель (вода, диметилсульфоксид, растворы солей, др.), причем подобные циклы криогенной обработки могут быть повторены несколько раз. Для формирования таких криогелей готовят 5-20%-ные растворы полимера, их замораживают при -5…-196°С в течение различного времени и затем оттаивают [В.И. Лозинский. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии. Т.67, №7. С.641-655 (1998)].

Благодаря сочетанию механической прочности, биосовместимости и высокой эластичности криогели ПВС находят применение в медицине, например, как материал для имплантатов [G. Donoziere, D. Tomko, A. Ghodadra. Methods and systems for forming implant with selectively exposed mesh for fixation and related implants // US Patent №7879100 (2011)], в биотехнологии как носитель иммобилизованных ферментов, иммуноаффинных лигандов и целых клеток [В.И. Лозинский, Ф.М. Плиева, Е.И. Исаева, А.Л. Зубов. Способ концентрирования вируса // Пат. РФ №2130069 (1997); Е.Н. Ефременко, О.В. Спиричева, С.Д. Варфоломеев, С.П. Синеокий, О.В. Байбак, В.И. Лозинский. Иммобилизованный биокатализатор, способ его получения и способ получения молочной кислоты с использованием этого биокатализатора // Пат. РФ №2253677 (2002); В.И. Лозинский. Новое семейство макропористых и сверхмакропористых материалов биотехнологического назначения - полимерные криогели // Известия РАН, Сер. хим. №5, с.996-1013 (2008); В.А. Андрюшина, А.Н. Рябев, А.В. Дружинина, Е.А. Подорожко, Н.В.Карпова, Т.С. Стыценко, В.В. Ядерец, В.И. Лозинский. Иммобилизованный биокатализатор для микробной биотрансформации стероидных соединений // Заявка №2013124087 (035534) от 27.05.2013 на Пат. РФ] и др.

Известно, что если после одного цикла замораживании-оттаивания сформировавшийся криогель ПВС, далее называемый нами «первичным», подвергнуть повторным циклам криогенной обработки, то это способствует повышению жесткости и термостойкости гелевой матрицы [В.И. Лозинский. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии. Т.67, №7. С.641-655 (1998); C.N. Hassan, N.A. Peppas. Structure and applications ofpoly(vinyl alcohol) hydrogels produced by conventional crosslinking or by freezing/thawing methods // Adv. Polym. Sci., V.153. P.37-65 (2000); В.И. Лозинский, Л.Г. Дамшкалн, И.Н. Курочкин, И.И. Курочкин. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 28. Физико-химические свойства и морфология криогелей поливинилового спирта, сформированных многократным замораживанием-оттаиванием // Коллоидн. ж. Т.70, №2. С.212-222 (2008); J.W. Mc.Clean, G. Denoziere, R. Brown, V. Miller. Spinal disc implants with flexible keels and methods of fabricating implants // US Pat. №8603171 (2013)].

Известно, что для придания формы криогелю, т.е. для формования конечного полимерного материала, могут быть использованы различные многопрофильные емкости - так называемые литьевые формы, иногда очень сложной конфигурации, трудоемкой в изготовлении, что снижает технологичность процесса в целом в резко повышает затраты на его осуществление. В такую литьевую форму вносится исходный раствор полимера перед криогенной обработкой, по завершении которой получают криогель, повторяющий форму внутреннего пространства этой емкости [D.N. Ku, L.G. Braddon, D.M. Wootton. Poly(vinyl) alcohol cryogel // US Pat. №5981826 (1999)]. При этом и первичный криогель, и образцы, подвергавшиеся повторным циклам криогенной обработки, обладают одинаковой формой, поскольку их замораживание-оттаивание осуществляется в той же емкости, что и первый цикл. Иначе говоря, хотя механическая прочность и теплостойкость таких гелевых материалов повышаются в результате многократного криогенного воздействия, изменения формы получаемого изделия не происходит, т.е. нет эффекта вторичного формования.

Например, известен способ формования криогеля ПВС в виде сложного по своей пространственной «архитектуре» каркаса биопротеза клапана сердца [W.R. Wan. F. Campbell, Z.F. Zhang, A.J. Hui, D.R. Boughner. Optimizing the tensile properties of polyvinyl alcohol hydrogel for construction of a bioprostetic heart valve stent. J. Biomed. Mater. Res., V.63, №5, P.854-861 (2002)]. Согласно этому способу 15%-ный водный раствор ПВС инжектируют под давлением в литьевую форму (фиг.1а), затем замораживают при -20°С в течение 1-6 ч и оттаивают со скоростью 0.2 или 1.0°С/мин. Поскольку первичный криогель имеет низкие прочностные показатели, его подвергают дополнительным шести аналогичным циклам замораживания-оттаивания, что позволяет получить материал (фиг.16) той же формы, что и после однократного цикла криогенного воздействия, но теперь уже с необходимыми физико-механическими характеристиками. Главным недостатком этого известного способа является необходимость использования (уже на стадии приготовления первичного криогеля) трудоемкой в изготовлении и поэтому дорогой литьевой формы крайне сложной конфигурации.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является принятый за прототип способ формования криогеля поливинилового спирта в виде небольшого полого баллончика, используемого в качестве контейнера пульпозного ядра в протезе для замены межпозвонковых дисков [E. Vresilovic, S.M.Macrolongo, E.M.Lowman, A.D. Clemow, M.F. Kin. Hydrogel ballon prosthesis for nucleus pulposus // US Pat. №8287595 (2012)]. Согласно этому способу гелевый контейнер из криогеля ПВС, который также может содержать добавки поливинилпирролидона, получают сначала обмакиванием сердечника сфероидной формы (элемент 102, Фиг.2а), соединенного с подводящим стержнем (элемент 104, Фиг.2а), в раствор гелеобразующего полимера с дальнейшим замораживанием системы при температуре ниже -20°С, предпочтительнее погружением в жидкий азот. После оттаивания на поверхности сердечника получается слой первичного криогеля (элемент 106, Фиг.2б), который упрочняют многократным повторением циклов замораживания-оттаивания с последующим снятием сформированного таким образом полого гелевого контейнера с сердечника. После этой операции происходит изменение формы криогеля ПВС от сфероидной до неопределенной, напоминающей оболочку «спущенного» воздушного шарика (элемент 306, Фиг.2в), который затем инкорпорируют в пространство межпозвоночного диска (элемент 302, Фиг.2в) и заполняют через катетер (элемент 310, Фиг.2в) специальной жидкостью, таким образом при «раздувании» полого контейнера формируют искусственное пульпозное ядро протеза межпозвоночного диска. Таким образом, в способе-прототипе вторичное формование первичного криогеля происходит в результате механического воздействия сил поверхностного натяжения на такой гелевый материал, что фактически приводит просто к потере первичной формы.

Недостатком технического решения по прототипу является то, что после нанесения раствора полимера на поверхность сердечника в процессе последующего охлаждения еще до замораживания может сформироваться покрытие сердечника различной толщины из-за стекания раствора полимера. Это приводит к ухудшению физико-механических свойств конечного изделия, т.к. прочность гелевой оболочки такого полимерного контейнера будет неодинаковой в разных точках. Кроме того, при использовании очень быстрого замораживания растворов ПВС часто наблюдается растрескивание образцов из-за большой скорости движения фронта кристаллизации растворителя и возникающих при этом существенных напряжений сдвига. В результате после оттаивания получается криогель с трещинами, т.е. бракованное изделие, которое не может быть использовано по назначению способа-прототипа. Наконец, согласно методике прототипа криогелю можно придать только единственную первичную форму, повторная криогенная обработка гелевого образца лишь повышает его прочностные показатели, но никак не изменяет форму, последующее же механическое воздействие приводит к потере первичной формы, но саму вторичную форму не фиксирует.

Задачей изобретения является разработка способа придания криогелю поливинилового спирта новой формы, более сложной, чем первичная, т.е. разработка способа вторичного формования криогелей на основе ПВС.

Указанная задача решается заявляемым способом формования криогеля поливинилового спирта, включающим криогенную обработку раствора поливинилового спирта или водного раствора поливинилового спирта, содержащего дисперсный наполнитель и/или растворимые вещества, с образованием первичного криогеля в литьевой форме, извлечение из литьевой формы и последующее механическое воздействие на полученный криогель, причем вторичное формование криогеля поливинилового спирта включает механическое воздействие, выбранное из группы: сгибание, скручивание, сжатие в режимах, не приводящих к разрушению первичного криогеля, и дальнейшее его замораживание при -10°…-50°C в течение 1-48 часов с последующим оттаиванием со скоростью 0,5…0,001°C/мин. При осуществлении заявляемого способа первичный криогель получают из 5-25 мас. % раствора поливинилового спирта в воде. Кроме того, заявляемое техническое решение предусматривает возможность вторичного формования криогеля ПВС, который содержит дисперсные наполнители (газообразные, жидкие, твердые) и/или растворимые вещества (соли, антисептики, лекарственные препараты).

Заявляемый диапазон содержания ПВС в исходном растворе, подвергаемом криогенному структурировании, найден экспериментально. Варьирование в заявляемых пределах концентрации ПВС в исходном растворе позволяет регулировать прочностные и термические характеристики получаемого криогеля. В частности, при содержании ПВС ниже 5% получаются криогели с низкой жесткостью, плохо удерживающие как первичную, так и вторичную формы, а при содержании ПВС выше 25% исходный раствор имеет очень высокую вязкость, что затрудняет операцию по заполнению литьевых форм такими растворами ПВС.

При осуществлении заявляемого способа вторичного формования криогелей ПВС сначала готовят водный раствор поливинилового спирта, который заливают в литьевую форму и замораживают известным способом. При повторном замораживании измененной формы криогеля при температурах выше -10°C с последующим оттаиванием не происходит сохранения измененной формы криогеля поливинилового спирта. Понижение температуры вторичного замораживания ниже -50°C приводит к увеличению энергозатрат без заметного улучшения эффективности фиксации измененной формы криогелей ПВС. При длительности выдерживания первичного криогеля ПВС в замороженном состоянии менее 1 часа в ходе повторной криогенной обработки вторичный криогель обычно не успевает сформироваться, а увеличение времени выдерживания выше 48 часов технологически нецелесообразно, т.к. уже не приводит к заметному улучшению характеристик вторичного криогеля. Заявляемый интервал значений скорости оттаивания вторичных криогелей ПВС от 0,5 до 0,001°C/мин также найден экспериментально: при скорости оттаивания выше 0,5°C/мин образующийся вторичный криогель плохо сохраняет новую форму, а снижение скорости оттаивания менее 0,001°C/мин уже не приводит к достоверно наблюдаемым дополнительным положительным результатам.

Заявляемый способ вторичного формования криогелей ПВС ранее не был известен из уровня техники, и поэтому заявляемое техническое решение отвечает критерию новизны.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется типичным примером, поясняющим изобретение, но не ограничивающего его объем, а информация об аналогах, прототипе и достигаемом в заявляемых случаях положительном эффекте (приобретение криогелем ПВС новой более сложной формы) проиллюстрирована следующими схемами и фотографиями.

Фиг. 1. Фотографии (а) разборной литьевой формы для получения криогеля ПВС в виде каркаса биопротеза клапана сердца и (б) конечного гелевого материала [W.R. Wan. F. Campbell, Z.F. Zhang, A.J. Hui, D.R. Boughner. Optimizing the tensile properties of polyvinyl alcohol hydrogel for construction of a bioprostetic heart valve stent. J. Biomed. Mater. Res., V. 63, №5. P. 854-861 (2002)].

Фиг. 2. Схемы, объясняющие сущность способа-прототипа: (а) сердечник сфероидной формы, соединенный с подводящим стержнем; (б) сердечник с сформированным на его поверхности слоем криогеля ПВС; (в) полый гелевый контейнер, образовавшийся после снятия криогеля ПВС с поверхности сердечника и инкорпорирования в пространство межпозвоночного диска [E. Vresilovic, S.M. Macrolongo, E.M. Lowman, A.D. Clemow, M.F. Kin. Hydrogel ballon prosthesis for nucleus pulposus // US Pat. №8287595 (2012)].

Фиг. 3. Образцы криогелей ПВС, полученных согласно методике примера 1: (а) первичный криогель ПВС; (б) первичный криогель, деформированный механическим воздействием (изгиб); (в) вторичный криогель ПВС, который приобрел новую (по сравнению с первичной) форму.

Фиг. 4. Образцы криогелей ПВС, полученных согласно методике примера 2: (а) исходный раствор ПВС в литьевой форме; (б) диск первичного криогеля ПВС; (в) диск первичного криогеля, деформированный свертыванием в «рулон»; (г) «рулон» первичного криогеля, зафиксированный в скрученном состоянии с помощью липкой ленты; (д) вторичный криогель ПВС, который приобрел новую (по сравнению с первичной) форму.

Фиг. 5. Образцы криогелей ПВС, полученных согласно методике примера 3: (а) диск первичного криогеля ПВС; (б) образец криогеля ПВС новой формы, приданной ему вторичным формованием.

Фиг. 6. Образцы криогелей ПВС, полученных согласно методике примера 4: (а) цилиндрические образцы первичного криогеля ПВС, содержащего твердый дисперсный наполнитель - активированный уголь; (б) механическое воздействие на первичный криогель сжатием; (в) новая форма деформированного образца после повторной криогенной обработки.

Фиг. 7. Образцы криогелей ПВС, полученных согласно методике примера 5: (а) препарат первичного криогеля, содержащего фурациллин в качестве растворимой добавки; (б) первичный криогель, зафиксированный липкой лентой в деформированном механическим воздействием состоянии; (в) новая форма деформированного образца после повторной криогенной обработки.

Фиг. 8. Образцы криогелей ПВС, полученных согласно методике примера 6: (а) препарат первичного газонаполненного криогеля ПВС; (б) новая форма деформированного образца после повторной криогенной обработки.

Фиг. 9. Образцы криогелей ПВС, полученных согласно методике примера 7: (а) исходный раствор ПВС в литьевой форме; (б) первичный криогель ПВС в виде «шнура», извлеченного из литьевой формы; (в) первичный криогель, деформированный завязыванием в узел; (г) вторичный криогель ПВС, который приобрел новую (по сравнению с первичной) форму.

Ниже приводятся типичные примеры реализации заявляемого изобретения.

Пример 1. Поливиниловый спирт (12 г) диспергируют в 100 мл воды и далее растворяют при нагревании до 100°C. Полученный 12%-ный одный раствор полимера заливают в литьевую форму в виде цилиндра и замораживают при -20°C, выдерживают при этой температуре в течение 12 часов, а затем оттаивают со скоростью 0,1°C/мин. Полученный первичный криогель (Фиг. 3а) извлекают из формы, подвергают изгибу и фиксируют в деформированном состоянии (Фиг. 3б); если же такой образец не зафиксировать механически в изогнутом состоянии, то он благодаря своим упругим свойствам разгибается и вновь приобретает первоначальную цилиндрическую форму. Далее удерживаемый в изогнутом состоянии первичный криогель повторно подвергают криогенной обработке в том же режиме, что и в первом цикле. В результате получают необратимо изогнутый криогель (Фиг. 3в), который после снятия фиксирующего воздействия уже не разгибается, т.е. имеет место вторичное формование соответствующего криогеля ПВС.

Пример 2. Поливиниловый спирт (32 г) диспергируют в 200 мл воды, а затем растворяют при нагревании до 100°C. В полученный раствор вводят 0,5 г левомицетина и перемешивают до полного его растворения. Раствор заливают в литьевую форму слоем 3 мм в виде диска (Фиг. 4а) и замораживают при -30°C в течение 20 часов, а затем оттаивают со скоростью 0,02°C/мин. Если диск полученного криогеля (Фиг. 4б) свернуть в «рулон» (Фиг. 4в), то из-за упругих свойств криогеля ПВС образец стремится развернуться и принять форму первичного диска. Поэтому «рулон» фиксируют в скрученном состоянии с помощью липкой ленты (Фиг. 4г) и повторно замораживают в том же режиме, что и в первом цикле. После удаления фиксирующей ленты препарат остается в виде скрученного «рулона», тем самым демонстрируя факт придания первичному криогелю ПВС новой формы, т.е. феномен вторичного формования данной системы.

Пример 3. Поливиниловый спирт (4 г) диспергируют в 80 мл воды, а затем растворяют на кипящей водяной бане. В полученном растворе диспергируют 4 г масла шиповника, заливают образовавшуюся эмульсию в литьевую форму слоем 2 мм и замораживают при -35°C в течение 9 ч, а затем оттаивают со скоростью 0,004°C/мин. Полученный диск криогеля (Фиг. 5а) деформируют сжатием с помощью цилиндрического плунжера и фиксируют в деформированном состоянии, а затем подвергают повторной криогенной обработке, замораживая при -10°C в течение 48 ч и оттаивая со скоростью 0,001°C/мин. После размораживания образец криогеля ПВС сохраняет новую форму, приданную ему вторичным формованием (Фиг. 5б).

Пример 4. Поливиниловый спирт (12,5 г) диспергируют в 50 мл воды, а затем растворяют на кипящей водяной бане. В полученном растворе суспендируют 1 г дисперсного активированного угля. Смесь заливают в две литьевые цилиндрические формы диаметром 10 мм и высотой 15 мм и замораживают при -40°C в течение 15 ч, а затем оттаивают со скоростью 0,06°C/мин. Один из полученных цилиндров первичного криогеля (Фиг. 6а), деформируют сжатием (Фиг. 6б) и фиксируют в деформированном состоянии, а затем подвергают повторной криогенной обработке, замораживая при -50°C в течение 1 ч и оттаивая со скоростью 0,005°C/мин. После размораживания подвергнутый сжатию образец криогеля ПВС сохраняет новую форму, приданную ему вторичным формованием (Фиг. 6в).

Пример 5. Поливиниловый спирт (10 г) диспергируют в 100 мл воды, а затем растворяют на кипящей водяной бане. В полученный раствор вводят 0,4 г фурациллина. Раствор заливают в литьевую форму шириной 2 см и длиной 12 см и замораживают при -25°C в течение 12 ч, а затем оттаивают со скоростью 0,01°C/мин. Полученный криогель (Фиг. 7а), деформируют сгибом (Фиг. 7б) и фиксируют в деформированном состоянии, а затем подвергают повторной криогенной обработке, замораживая при -25°C в течение 12 ч и оттаивая со скоростью 0,05°C/мин. После размораживания образец криогеля ПВС сохраняет новую форму, приданную ему вторичным формованием (Фиг. 7в). Для повышения механической прочности вторичный криогель подвергают еще 2 циклам криогенного воздействия в режимах повторного замораживания-оттаивания.

Пример 6. Поливиниловый спирт (8 г) диспергируют в 60 мл воды, а затем растворяют на кипящей водяной бане. В полученный раствор барботированием вводят газообразный наполнитель - кислород, заливают в цилиндрическую литьевую форму и замораживают при -10°C в течение 18 ч, а затем оттаивают со скоростью 0,003°C/мин. Полученный цилиндрический препарат первичного криогеля (Фиг. 8а) деформируют изгибом, помещая во внутренний объем чашки Петри таким образом, чтобы получить кольцевую форму образца, который затем подвергают повторной криогенной обработке, замораживая при -22°C в течение 22 ч и оттаивая со скоростью 0,002°C/мин. После размораживания и извлечения из чашки Петри полученный образец криогеля ПВС сохраняет кольцевую форму, приданную ему вторичным формованием (Фиг. 8б).

Пример 7. Поливиниловый спирт (1,5 г) диспергируют в 10 мл воды и затем растворяют на кипящей водяной бане. В полученный раствор вносят растворимые добавки: полиэтиленгликоль (0,5 г) и ванилин (0,05 г), а затем в таком смешанном растворе суспендируют дисперсный наполнитель - порошок белой сажи (0,7 г). Полученную суспензию инжектируют во внутренний объем силиконового шланга (литьевая форма), который с обоих концов потом закрывают резиновыми пробками (Фиг. 9а). Препарат помещают на 11 ч в морозильную камеру при -42°C, после чего оттаивают со скоростью 0,03°C/мин. Сформированный таким образом первичный криогель извлекают из литьевой формы; он получается в виде гибкого «шнура» (Фиг. 9б), который деформируют, завязывая в узел (Фиг. 9в). Этот препарат подвергают криогенной обработке (замораживание-оттаивание) в тех же режимах, что и при формировании первичного криогеля. Развязывают полученный узел; он при этом не распрямляется, как первичный криогель, а сохраняет приданную ему вторичным формованием пространственную геометрию (Фиг. 9в).

Таким образом, заявляемый способ вторичного формования криогелей поливинилового спирта имеет следующие преимущества по сравнению с аналогами и прототипом.

1. Заявляемый способ позволяет придавать форму криогелям ПВС, полученным из растворов широкого диапазона концентраций и содержащим разнообразные наполнители (примеры 3, 4, 6 и 7) и/или растворимые добавки (примеры 2, 5 и 7).

2. При осуществлении заявляемого способа не требуется дополнительного оборудования и химических реактивов. Заявляемый способ может быть полезен в случае придания криогелю некоторой сложной формы без необходимости разработки формующей оснастки, что значительно удешевляет технологию переработки криогелей ПВС.

3. Заявляемый способ может быть использован, например, для создания различных изогнутых фигур, повторяющих неровности поверхностей-матриц, закрепленных вторичным замораживанием.

4. Также изобретение позволяет использовать дисперсные наполнители (газообразные, жидкие, твердые и/или добавки растворимых веществ (солей, антисептиков, лекарственных препаратов) на стадии приготовления исходных растворов ПВС.

1. Способ формования криогеля поливинилового спирта, включающий криогенную обработку раствора поливинилового спирта или водного раствора поливинилового спирта, содержащего дисперсный наполнитель и/или растворимые вещества, с образованием первичного криогеля в литьевой форме, извлечение из литьевой формы и последующее механическое воздействие на полученный криогель, отличающийся тем, что вторичное формование криогеля поливинилового спирта включает механическое воздействие, выбранное из группы: сгибание, скручивание, сжатие в режимах, не приводящих к разрушению первичного криогеля, и дальнейшее его замораживание при -10°…-50°C в течение 1-48 часов с последующим оттаиванием со скоростью 0,5-0,001°C/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первичный криогель получают из 5-25 мас. % раствора поливинилового спирта в водной среде.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первичный криогель поливинилового спирта содержит дисперсный наполнитель, выбранный из твердых, жидких и газообразных наполнителей, и/или растворимые вещества, выбранные из солей, антисептиков и лекарственных препаратов.