Газета «Новости медицины и фармации» 3(234) 2008

В последние десятилетия большой интерес вызывают материалы медико-биологического назначения (materials for medico-biological use), то есть материалы, предназначенные для создания изделий, устройств и препаратов, применяемых в медицине, биотехнологии, сельском хозяйстве и т.п., и используемые для обеспечения и оптимизации жизнедеятельности человека, животных, растений, микроорганизмов. Во многих случаях материалы медико-биологического назначения — биоматериалы (biomaterials) функционируют в непосредственном взаимодействии с живыми тканями и клеточными объектами.

В качестве биоматериалов используются полимеры, металлы, неорганические материалы, материалы на основе углерода и композиты на их основе. Следует отметить, что с точки зрения ассортимента и возможностей использования полимерные биоматериалы значительно превосходят другие виды биоматериалов. Такими материалами являются так называемые полимерные гидрогели, упоминания о которых в последние годы все чаще появляются на страницах медицинских журналов. На сегодняшний день полимерные гидрогели являются наиболее универсальными и перспективными материалами для использования в ряде различных областей медицинской науки и открывают новый пласт в инновационной и фундаментальной медицине, что в недалеком будущем сделает возможным лечение пациентов, страдающих заболеваниями, с которыми современная медицина пока еще не в состоянии справиться. Говоря о перспективах использования суперпористых полимеров на основе поливинилового спирта (ПВС), мы также хотели бы сделать акцент на безопасности применения полимерных гидрогелей как химических веществ и возможном улучшении положительной клинической картины в случае комбинированного использования полимерных гидрогелей с классическими методами лечения.

Полимерные гидрогели: основные понятия

Начиная с работ Wichele и Lim начала 60-х годов прошлого столетия, полимерные гидрогели привлекают пристальное внимание исследователей, работающих в области создания новых биоматериалов, в силу своего гидрофильного характера, потенциальной биосовместимости, механических и эластических свойств, близких к свойствам живых тканей, и целого ряда других уникальных характеристик.

Стоит отметить, что существует большое количество определений понятия «гидрогель» с позиций реологии, материаловедения, физики, коллоидной химии. Однако, как правило, в литературе, посвященной разработке и исследованию материалов медико-биологического назначения, гидрогелями принято называть сшитые полимерные сетки синтетических и природных полимеров, способные к набуханию в воде. Количество сорбируемой воды может быть различным — от 10–20 % (произвольное значение нижнего предела) до тысячекратно превосходящего массу гидрогеля в сухом состоянии.

Гидрогели могут быть химически стабильными, но могут и распадаться, переходя в раствор. Такие гели называют обратимыми, физическими гелями, гелями 2-го рода. В этом случае сетка гидрогеля закреплена за счет переплетения молекул и/или ионных, водородных связей и гидрофобных взаимодействий.

Физические гидрогели негомогенны вследствие наличия кластеров переплетений молекул или доменов ионных ассоциатов. Свободные концы цепей и петли молекулярных цепей также являются переходными дефектами сетки в гидрогелях этого типа.

При взаимодействии полиэлектролита с противоположно заряженным мультивалентным ионом возможно формирование физических гидрогелей, известных как ионотропные гидрогели. Наиболее известным примером таких систем являются гидрогели на основе альгината кальция.

Иногда физические гели могут формироваться при биоспецифическом распознавании, как, например, при взаимодействии Conconavalin A с полимерным сахаром или авидина с биотином. Все эти взаимодействия обратимы и могут быть разрушены при изменении физических условий — ионной силы, pH, температуры, при воздействии давлением или добавлении растворов веществ, конкурирующих с полимерными лигандами при присоединении к аффинному участку белка.

Кроме того, физические гели могут образовываться в результате реакций гидрофобных полимеров. Например, если при гидролизе полиакрилонитрила нитрильные группы остаются в достаточном количестве, они могут стабилизировать гидрогель за счет гидрофобных взаимодействий, формируя таким образом физический гель.

Гидрогели 1-го рода — необратимые, или химические, гели представляют собой ковалентно сшитые сетки.

Одни из первых синтетических гидрогелей такого типа, нашедшие практическое применение, были получены Wichterle и Lim на базе сополимера 2-гидроксиэтилметакрилата со сшивающим агентом этиленгликольдиметакрилатом.

Помимо сополимеризации низкомолекулярных мономеров химические гидрогели могут быть также получены в результате сшивки водорастворимых полимеров.

В сшитом состоянии для химических гидрогелей величина достигаемого равновесного набухания зависит от плотности сшивки (оцениваемой по молекулярной массе фрагмента цепи между сшивками).

Подобно физическим гидрогелям, химические гидрогели не гомогенны. Они, как правило, содержат области с низким набуханием в воде и высокой плотностью сшивки, называемые кластерами, которые распределены внутри регионов с высокой набухаемостью и низкой плотностью сшивки. Это может происходить вследствие гидрофобной агрегации сшивающего агента, ведущей к высокой плотности сшивки. В ряде случаев в зависимости от строения растворителя, температуры и концентрации растворенных веществ при формировании геля может иметь место фазовое разделение и могут формироваться заполненные водой пустоты или поры. В химических гелях свободные концы цепей являются дефектами сетки, не вносящими вклад в эластичность сетки.

Существует целый ряд различных структур, возможных для физических и химических гидрогелей. Они включают в себя следующие структуры: сшитые или переплетенные сетки линейных гомополимеров, линейные сополимеры и блок- или графтсополимеры; полиионный — мультивалентный ион, полиион — полион или H-связанные комплексы, гидрофильные сетки, стабилизированные гидрофобными доменами, и взаимопроникающие сетки (interpenetrate network), а также физические смеси.

Структура пористых полимерных материалов

Согласно энциклопедии полимеров, под надмолекулярной структурой понимают «внутреннее строение, характер взаимосвязи и взаимное расположение в пространстве элементов, образующих макроскопическое полимерное тело». Отсюда следует, что для описания структуры материала необходимо, во-первых, охарактеризовать внутреннее строение элемента или элементов, из которых оно построено, во-вторых, установить характер и способ взаимодействия элементов между собой, и, наконец, определить пространственное расположение элементов относительно друг друга.

Очевидно, что для пористых гидрогелей в качестве элемента, образующего фазовую организацию материала, выступает фрагмент дисперсной фазы — пора, взаимосвязь пор осуществляется через фазу полимерного каркаса, а их взаимное расположение определяется координационными числами, которые связаны с содержанием пор в единице объема (общей пористостью). Таким образом, пористые полимерные гидрогели представляют собой дисперсную систему, состоящую из ячеек, разделенных областями полимера. Эти области, образующие стенки ячеек, составляют в совокупности каркас, который и является основой материала.

По определению, поры — это пустоты в твердом теле, фазовые образования, а пористые материалы — дисперсные системы. Именно это отличает поры и пористость от «дырок», «вакансий» и «свободного объема тел», имеющих термофлуктуационную природу и связанных с тепловым движением фрагментов макромолекулярных цепей. Пористость материалов, и, в частности, полимерных, характеризуется общей пористостью (φ_пор), удельной поверхностью (S_уд), распределением пор по размерам.

Различают открытую, или доступную, и закрытую, недоступную, пористость. Закрытая пористость обусловлена наличием пор, изолированных друг от друга, от внешней поверхности, а также от системы открытых пор.

Системы с открытой пористостью наиболее полно разработаны применительно к таким материалам, как активированные угли, катализаторы, цеолиты, пористые стекла, мембраны и др. При описании структуры систем с открытой пористостью применяются два подхода.

Первый основан на представлении о том, что пористость связана с наличием пустот между отдельными зернами, слоями, кристаллами и другими элементами структуры материала. При этом используется ряд упрощающих моделей: глобулярная модель, модель пор между круглыми дисками, модель пор между многогранниками, модель щелевидных пор, модель пор между круглыми стержнями, модель цилиндрических капилляров, модель бутылкообразных пор.

При прогнозировании параметров пористости в таких системах обычно устанавливают связь между геометрическими характеристиками как частиц, так и пор, расположенных между ними, считая, что их доступная поверхность равна геометрической поверхности частиц или составляет ее определенную часть. В подобных расчетах используются также истинная плотность частиц и коэффициент доступности, определяемый как доля геометрической поверхности частиц, которая доступна для молекул сорбата определенного размера. Полученные таким образом соотношения позволяют численно связать геометрию пор с геометрией частиц и плотностью их упаковки.

Второй подход связан главным образом с геометрическими размерами пор. Применительно к полимерным гидрогелям выделяют нанопористые (размер пор до 10^-7 м), микропористые (размер пор 10^-7–10^-6 м), мезопористые (размер пор 10^-6–10^-5 м), макропористые (размер пор 10^-5–10^-4 м) и суперпористые (размер пор более 10^-4 м) полимерные гидрогели.

Перспективы применения гидрогелей

За четыре с лишним десятилетия работы в области разработки и создания новых биоматериалов на основе полимерных гидрогелей были достигнуты громадные успехи. Полимерные гидрогели нашли применение в целом ряде областей медицинской науки и практики — например, в качестве компонентов раневых покрытий, систем с контролируемым выделением лекарственного препарата, материалов для имплантатов и т.д.

Однако большая часть разработанных полимерных гидрогелей, в том числе нашедших реальное практическое применение, по-прежнему имеет целый ряд недостатков:

— недостаточную механическую прочность;

— низкую осмотическую устойчивость (резкое изменение объема при незначительном изменении pH и ионной силы);

— возможность синерезиса при хранении;

— диффузионные затруднения при сорбции и десорбции веществ даже достаточно малой молекулярной массы и др.

Весьма сложную проблему представляет также стерилизация гидрогелей. Все это, безусловно, значительно сужает спектр возможных областей применения полимерных гидрогелей в медицинской практике. Большей части указанных выше недостатков лишены так называемые макро- и суперпористые полимерные гидрогели, интенсивное исследование методов синтеза которых было начато относительно недавно — в 90-е годы прошлого столетия. На сегодняшний день разработан целый ряд методов получения подобных систем, однако большая часть из них достаточно сложна технологически и практически неприменима для получения значимых объемов продукции. Одним из немногих достаточно технологичных методов получения макропористых полимерных гидрогелей является так называемый метод криоструктурирования, заключающийся в формировании трехмерной пористой структуры в присутствии гетерофазы замороженного растворителя — как правило, воды. Одним из наиболее доступных типов макропористых гидрогелей, получаемых по такой схеме, являются так называемые криогели поливинилового спирта — полимера, обладающего превосходной биосовместимостью и на протяжении десятилетий широко применяющегося в медицине, в том числе в качестве компонента кровезаменителя, который образуется при замораживании и последующем оттаивании растворов этого полимера.

Однако, как правило, такие системы являются термически нестабильными и разрушаются, переходя в водный раствор при нагревании. По этой причине они требуют дополнительного закрепления структуры, зачастую с использованием токсичных сшивающих реагентов или жесткого излучения. Все это в значительной степени усложняет и повышает стоимость технологии получения таких пористых систем, а также существенно ограничивает возможные сферы их применения.

Ряд появившихся в последние годы работ, связанных с разработкой новых пористых гелей на основе поливинилового спирта, позволяет надеяться на значительные перемены в этой области в обозримом будущем. Одной из наиболее перспективных работ в этой области нам представляется разработка группы российских ученых-химиков, предложивших оригинальный метод получения пористых гидрогелей на основе сшитого поливинилового спирта. Не вдаваясь в ненужные технические подробности, можно сказать, что предложенная методика заключается в получении пористых гелей путем сшивки модифицированного специальным образом заранее приготовленного и очищенного поливинилового спирта.

Существенным преимуществом такой схемы является отсутствие необходимости дополнительной фиксации структуры, что исключает необходимость использования токсичных реагентов. Такой подход практически исключает возможность осложнений при практическом применении вследствие недоочистки материала. Причем сообщается, что стабильность гелей была такова, что позволила проводить их стерилизацию автоклавированием. Существенным достоинством предлагаемого технического решения по сравнению с методом сополимеризации низкомолекулярных мономеров, обычно используемых при получении гелей на основе других полимеров, например полиакриламида, поли-2-гидроксиэтилметакрилата, поли-N-винилпирролидона и др., является отсутствие остаточного количества последних в качестве примесей в составе конечного продукта, а также возможность регулирования размера полимерных фрагментов, образующихся при биодеградации полимерного гидрогеля.

Непревзойденным достоинством макропористых гидрогелей является целый ряд свойств, связанных с наличием в них системы связанных пор, занимающих основной объем образца (до 90–95 %). В первую очередь это способность сорбировать и удерживать большие объемы жидкости. Причем, как правило, скорость сорбции в десятки раз превосходит аналогичный показатель обычных гелей и, в отличие от последних, не зависит от размеров частиц гелей. Другим следствием наличия пористой структуры является слабое влияние внешних условий, например pH и ионной силы раствора, на равновесную набухаемость гидрогелей. Иными словами, они лишены крайне неприятной особенности большинства известных гидрогелей коллапсировать, то есть резко изменять свой объем зачастую даже при незначительных изменениях внешних условий. В значительной степени улучшаются эластичность и механическая прочность гелей.

Лечение раневых поверхностей

Способность ПВС-гидрогелей поглощать и удерживать значительные количества жидкости, а также их абсорбционно-выделительные свойства позволили использовать их как увлажняющий элемент раневого покрытия, что позволило снизить травматичность при их использовании и увеличить лечебный эффект от применения покрытия. ПВС-гидрогели за счет системы развитых пор абсорбируют раневой экссудат, стимулируют рост грануляционных тканей и эпителизацию по всему объему раневой поверхности. Также перед использованием или во время использования ПВС-гидрогели можно насыщать лекарственными веществами; в таком случае лекарственное вещество выделяется непосредственно в раневую поверхность, в течение длительного времени (до 5 дней) поддерживая терапевтическую концентрацию и стимулируя эпителизацию по всему объему. Такой эффект называется эффектом депо. По такому же принципу ПВС-гидрогели могут найти широкое применение и в лечении трофических язв.

Материал для заполнения дефектов мягких тканей и послеоперационных полостей

В настоящее время остается нерешенной проблема послеоперационных полостей и дефектов мягких тканей. Особенно актуальной такая проблема является в торакальной и восстановительной хирургии. Для заполнения послеоперационной полости предложено огромное количество материалов, начиная от шариков для пин-понга и грудных имплантатов и заканчивая собственными мышцами пациента и инъекциями коллагена. Однако все они приводят к тяжелому послеоперационному периоду, образованию спаек, через которые в случае рецидивов невозможно пройти. Особенно это актуально в случае резекции легкого, проводимой по поводу деструктивного туберкулеза легких.

Проведенные клинические испытания макропористых гидрогелей поливинилового спирта продемонстрировали превосходные результаты. Материалы использовались в лечении пациентов с фиброзно-кавернозным туберкулезом легкого. Больным была выполнена операция экстраплеврального пневмолиза легкого с пломбировкой созданной экстраплевральной полости макропористым гидрогелем обьемом 200–250 см³. Местной и общей реакции организма не наблюдалось. Температурных реакций также не было отмечено. Послеоперационный период протекал гладко, с первичным заживлением ран. Через шесть месяцев ПВС-гидрогель полностью биодеградировал с замещением соединительной тканью.

Тканевая инженерия

Изучение механизмов регенерации тканей и органов, поиск новых технологий, которые могли бы восстановить утраченную функцию органа или системы, привели к появлению новых направлений, возникших на стыке биотехнологии и медицины, — тканевой инженерии, регенеративной медицины и органогенеза. Эти науки изучают создание органов и тканей de novo. В их основе лежит принцип трансплантации клеток на матрицах-носителях.

Матрица-носитель представляет собой синтетический или биологический комплекс для обеспечения в первую очередь трехмерного ориентирования нанесенной на нее клеточной культуры и механической прочности конструкции с заданными свойствами. Основными критериями биологически совместимой матрицы для создания тканеинженерной конструкции должны быть:

— отсутствие цитотоксичности;

— поддержание адгезии, фиксации, пролиферации и дифференцировки помещенных на ее поверхность клеток;

— отсутствие воспалительной реакции на материал и иммунного ответа;

— достаточная механическая прочность в соответствии с назначением;

— биодеградируемость обычными метаболическими путями.

На сегодняшний день существует достаточно большой и разнообразный ряд матриц-носителей, как полимеров, так и металлов. Например, биодеградируемые синтетические биоматериалы на основе полимеров органических кислот. Биодеградируемые полиэстеры — группа биодеградируемых материалов, состоящих из цепи повторяющихся остатков короткоцепочных органических кислот, таких как молочная и гликолиевая.

В состав полимера может входить как один тип кислотного остатка — PGA (Poly Glycolic Acid), PLA (Poly Lactic Acid), так и их сочетание в различных пропорциях PGLA (Poly Glycolic Lactic Acid) 30/70. Наиболее яркими представителями, зарекомендовавшими себя как в экспериментальных, так и в клинических исследованиях, являются полиэфиры молочной и гликолиевой кислот (PGA, PLA, PGLA). Кроме того, они одобрены FDA как безопасные материалы для тканеинженерных конструкций. Однако такие недостатки, как повышение pH окружающих тканей при гидролизе и недостаточная механическая прочность, ограничивают и не позволяют использовать их как универсальный материал для матриц подложек.

Ученые из Российской Федерации продемонстрировали эффективность титановых матриц. В их сообщении говорится, что они вплотную подошли к созданию искусственных аналогов тканей и органов. Для решения этой задачи потребовалось создание носителей для клеточного материала. Клетки, размещенные на носителе, живут в организме значительно дольше, чем клетки, просто введенные в ткань; эффективность трансплантации при этом возрастает. Таким носителем является пористый титан с открытыми порами размером от 50 до 200 мкм. Эксперименты показали, что на пластинках из пористого титана могут расти клетки костного мозга. Титановые пластинки помещали в питательную среду с взвесью клеток, а через сутки переносили в свежую питательную среду. Клетки костного мозга, заселившие поры носителя, великолепно себя чувствовали даже через шесть недель. За это время культура приобретала свойства, сближающие ее с настоящей тканью. Так, молодые клетки костного мозга, близкие по свойствам к стволовым, находились внутри пор и почти не выходили наружу, подобно тому, как в естественных условиях стволовые клетки не покидают костный мозг. Зато созревшие клетки активно выходили в окружающую среду. На основе пористого титана исследователи создали искусственную эмбриональную печень человека, заселив носитель клетками печени одиннадцатинедельного эмбриона. Искусственный орган пересадили мышам, и он прижился, а через три-четыре недели начал активно функционировать. Об этом ученые судили по высокому содержанию эритроцитов с фетальным (зародышевым) гемоглобином, который мог образоваться только в искусственной печени, а у взрослых мышей практически не встречается.

Проводя сравнительные характеристики между пористым титаном и суперпористыми гидрогелями на основе поливинилового спирта, можно найти ряд подобий: одинаковый размер пор (50–200 мкм), сходные каркасные структуры обоих материалов, сходную систему разветвленных пор, что позволяет клеткам чувствовать себя вольготно внутри матрицы. С точки зрения фундаментальной науки оба материала являются идеальными для существования клеток. Однако существует и ряд различий. Какой бы идеальной ни была титановая матрица, титан — это металл, который не биодеградирует в организме. Такая матрица, помещенная в паренхиму печени вместе с эмбриональными клетками, станет составляющей элементов печени. Поместить такую матрицу с гемопоэтическими клетками в полость кости для последующего роста и дифференцировки клеток костного мозга вообще представляется технически очень трудным.

С другой стороны, использование суперпористых матриц на основе поливинилового спирта позволяет решить в первую очередь ряд технических проблем. Например, гелевая матрица займет весь объем кости или полости, максимально контактируя с близлежащими тканями. По мере деления и роста клеток гелевая матрица будет биодеградировать, при этом позволяя заполнить клетками костного мозга всю полость, что в конечном итоге даст структурно идентичный и функциональный орган. Необходимо также отметить, что процесс заполнения клетками пор титановой и гелевой матрицы отличается: в случае титана это простая диффузия, которая занимает более 24 часов, а в случае суперпористых гидрогелей это принудительная абсорбция, абсорбция в процессе набухания, которая занимает не более 10 минут.

Следующий немаловажный технический момент — это обеспечение надежного гемостаза. Любые вмешательства на печени чреваты кровотечениями; поместить кусок металла в печень и при этом обеспечить надежный гемостаз практически очень сложно, а порой и невозможно. С другой стороны, результаты испытаний на животных показывают, что гелевая матрица способна обеспечить быстрый и надежный гемостаз.

Необходимо отметить и механические свойства обоих материалов. Матрицы на основе титана сложно крепить к окружающим тканям, использовать шовный материал практически не представляется возможным. Гелевая матрица имеет прекрасные механические свойства, может быть легко пришита к окружающим тканям.

Сравнивая свойства ПВС-гелевой матрицы и матриц на основе полиэстеров, можно с уверенностью сказать, что ПВС-матрицы превосходят их по многим параметрам: например, в случае ПВС-суперпористых матриц не происходит повышения pH окружающих тканей при гидролизе. Также ПВС-матрицы имеют большую механическую прочность, которую можно регулировать за счет степени сшивки матрицы во время синтеза или автоклавирования.

Заключение

В настоящем обзоре были описаны новые суперпористые гидрогели на основе поливинилового спирта, полученные в недавнем времени российскими учеными. Изучая свойства гидрогелей поливинилового спирта, следует отметить ряд их уникальных свойств, которые позволят гидрогелям в будущем занять ведущее место в медицинской практике. Важнейшей отличительной особенностью ПВС-суперпористых гидрогелей является безопасность их применения в клинической практике. Гель, попадая в живой организм, биодеградирует обычными метаболическими путями, при этом полностью (ниже предела обнаружения) отсутствуют воспалительные и аллергические реакции окружающих тканей в отдаленные сроки наблюдения.

Уникальные физико-химические свойства суперпористого гидрогеля поливинилового спирта позволяют ему максимально надежно выполнять его функцию в живом организме. Используя его как пломбировочный материал, хирург полностью уверен в том, что заполненная гидрогелем сформированная полость будет полностью герметизирована, в будущем не будут образовываться дополнительные полости, не будет собираться раневой экссудат. В течение полугода на месте геля произойдет образование соединительной ткани. Устойчивость к изменению pH и ионной силы, хорошие механические свойства, отсутствие эффекта коллапса при изменении внешних условий позволяют и пациенту, и его лечащему врачу быть более уверенными в исходе операции, максимально снизить послеоперационные риски.

Абсорбционно-выделительные свойства суперпористых ПВС-гидрогелей, а также свойство поглощать и удерживать большой объем жидкости позволяют использовать их как увлажняющий элемент раневого покрытия. ПВС-суперпористые гидрогели обладают свойством депо, при этом эффект депо может быть как физическим (сорбция/десорбция), так и химическим (молекулы лекарственного вещества пришиваются к функциональным группам гидрогеля). Такие свойства материала позволяют в случае физического депо удерживать терапевтическую концентрацию до 5 дней, а в случае химического депо — более 3 месяцев.

И наконец, отсутствие цитотоксичности, поддержание адгезии, фиксации, пролиферации и дифференцировки помещенных на поверхность суперпористых ПВС-гидрогелей клеток, отсутствие воспалительной реакции на материал и иммунного ответа, достаточная механическая прочность в соответствии с назначением и биодеградируемость обычными метаболическими путями позволяют использовать суперпористые ПВС-гидрогели как трехмерные матрицы для выращивания клеточных культур. А в недалеком будущем они позволят создавать максимально близкие по морфологии искусственные органы, такие как печень, костный мозг и др.

Отсутствие токсичных веществ во время синтеза, а также отсутствие токсичности у образующихся олигомеров во время биодеградации выделяют суперпористые гидрогели поливинилового спирта из всех полимерных гидрогелей и позволяют назвать их самыми безопасными для использования в медицине.