НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ БІООРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ ТА НАФТОХІМІЇ

ЖЕРНОВА Людмила Миколаївна

УДК 678.664:544.773.432.615.4

СИНТЕЗ І ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ БІОЛОГІЧНО АКТИВНИХ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ЛІНІЙНИХ ПОЛІУРЕТАНІВ

02.00.10 - біоорганічна хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі полімерів медичного призначення Інституту хімії високомолекулярних сполук НАН України.

Науковий керівник: доктор біологічних наук, старший науковий співробітник

Галатенко Наталія Андріївна,

Інститут хімії високомолекулярних сполук НАН України, завідувач відділу полімерів медичного призначення

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Греков Анатолій Петрович,

Інститут хімії високомолекулярних сполук НАН України, провідний науковий співробітник

доктор біологічних наук, професор

Радавський Юрій Леонідович,

Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України,

завідувач відділу структури та функції білків і пептидів

Провідна установа: Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, кафедра хімії високомолекулярних сполук

Захист відбудеться 18 квітня 2003 року о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.220.01 в Інституті біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України (02094, Київ-94, вул. Мурманська, 1).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України (02094, Київ-94, вул. Мурманська, 1).

Автореферат розісланий 18 березня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.М.Федоряк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення нових біологічно інертних та біологічно активних полімерних матеріалів обумовлюється потребами сучасної медицини. Необхідними умовами, які визначають можливість їх використання в медицині, є наявність у них таких властивостей як нетоксичність, стійкість по відношенню до біологічних середовищ, спроможність витримувати стерилізацію без суттєвих змін властивостей. Крім того такі матеріали не повинні мати канцерогенної та алергенної дій.

Цим високим вимогам відповідає обмежена кількість полімерів, тому синтез нових біосумісних біологічно інертних матеріалів для створення імплантатів тривалої дії є актуальним.

Більшість лікарських форм, що використовують у практичній медицині, мають короткочасний період дії, тоді як успішна терапія багатьох захворювань можлива при утримуванні рівномірної концентрації лікарської речовини протягом більш тривалого часу. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є створення принципово нових полімерних матеріалів з пролонгованою лікарською дією. Вони здатні тривало та безперервно подавати лікарські речовини в місце запалення.

Одним із способів одержання таких матеріалів є модифікація полімерної композиції гідрогелями, які, надаючи потрібні гідрофільні властивості одержаним композиціям, одночасно можуть бути носіями лікарських речовин. При використанні гідрогелів різної хімічної природи можна одержати матеріали з потрібними фізико-механічними та лікарськими властивостями.

У клінічних умовах полімерні матеріали часто використовують як дренажі та катетери при операціях на черевній порожнині. Такі матеріали легко стають об'єктами інфікування та підтримують запальний процес в організмі. Крім того, їм часто властиві небажані фізико-механічні показники, тому вироби з цих матеріалів додатково травмують оточуючі тканини. Надання таким виробам певних фізико-механічних та антимікробних властивостей дозволить спеціалістам розв`язати дуже актуальну проблему пригнічення мікробної інфекції при лікуванні багатьох захворювань.

Зв’язок роботи з науковими планами, програмами, темами. Дисертація виконана в рамках тематичних планів ІХВС НАН України (тема № 2.1.11.10.11-97 “Створення полімерних біодеструктуючих імплантатів, які сприяють процесам регенерації в місці застосування, та полімерів, стійких у середовищах організму”, № держреєстрації 0198U001263; тема № 2.1.11.10.11-97 “Створення нових гідрофільних полімерних матриць на основі поліуретанів, полі–N–вінілпіролідону і гідрогелів як ендогенних носіїв лікарських препаратів”, № держреєстрації 0101U000170).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було створення нового біосумісного фторовмісного полімерного матеріалу з високими міцнісними показниками й високою біостабільністю та нових біологічно активних композицій з пролонгованою дією лікарських речовин шляхом модифікації біосумісного поліуретану гідрогелями.

Завдання дослідження:

1. Синтез поліефіруретаносечовин, що містять у своєму складі фторовмісні фрагменти.

2. Визначення фізико-хімічних та фізико-механічних параметрів синтезованих поліуретанів, вибір оптимального зразка, який відповідає всім вимогам до біостабільних полімерів.

3. Медико-біологічні дослідження обраних біостабільних зразків.

4. Створення гідрофільних поліуретанових композицій шляхом модифікації полімерної матриці гідрогелями.

5. Надання стійкої антибактеріальної активності широкого спектру дії одержаним композиціям.

6. Медико-біологічні дослідження гідрофільних полімерних композицій з лікувальною дією.

Об’єкт дослідження – фторовмісні поліефіруретаносечовини та модифіковані гідрогелями поліуретанові композиції, що містять лікарські речовини.

Предмет дослідження – створення біологічно інертних та біологічно активних полімерних матеріалів для різних термінів використання в організмі.

Методи дослідження – фізико-хімічні, фізико-механічні, динамічний механічний аналіз, хроматографічний, екстракційно-фотометричний, ІЧ-спектроскопічний, мікробіологічні, гістологічні, культури тканин.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що

- синтезовано ряд нових фторовмісних поліуретанів, доведено їх будову. Показано можливість використання пара-заміщеного фторовмісного поліуретану як біосумісного та біостабільного полімеру;

- модифіковано поліуретанову матрицю полі(2-гідроксиетил)- метакрилатним та поліуретановим гідрогелями, що дозволило одержати композиції з заданими гідрофільними властивостями;

- показано, що введення поліуретанового гідрогелю дозволяє одержати полімерні композиції з високою міцністю та еластичністю;

- розроблено методики одержання та з’ясовані закономірності утворення гідрофільних полімерних композицій з антибіотиками цефалоспоринового ряду та антисептичним препаратом декаметоксином;

- показано, що введенням гідрогелів у поліуретанову матрицю можна регулювати швидкість виходу лікарської речовини в оточуюче водне середовище;

- показано, що одержані полімерні композиції є біосумісними та мають стійку антибактеріальну дію.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці методик синтезу нового біосумісного та біостійкого поліуретану з фторовмісними фрагментами, який може бути використано в медичній практиці.

Модифікація поліуретанової матриці гідрогелями дозволяє одержати гідрофільні полімерні композиції з заданими фізико-хімічними та фізико-механічними характеристиками.

Створені плівкові полімерні матеріали на основі одержаних композицій, мають регульовану лікарську дію та можуть бути використані в практичній медицині для пригнічування дії патогенних мікроорганізмів при операціях на черевній порожнині.

Гідрофільні плівкові полімерні матеріали з антибіотиками цефалоспоринового ряду після токсикологічної перевірки проходять клінічні дослідження в Київському національному медичному університеті.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні синтезу та модифікації лінійних поліуретанів, підготовці зразків, фізико-хімічних та фізико-механічних дослідженнях одержаних матеріалів, обробці та інтерпретації експериментальних даних, узагальнення одержаних результатів, підготовці статей та доповідей. Спільно з д.б.н. Галатенко Н.А. та к.х.н. Луговською Г.Г. проводилося планування етапів та обговорення результатів роботи.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи було представлено на VII Європейському симпозіумі з полімерних матеріалів (Польща, 1998), IX Українській конференції з високомолекулярних сполук, Київ (26-28.09.2000), VIII Біомедичному симпозіумі (Анкара, 2001), XIX Українській конференції з органічної хімії, Львів (10-14.09.2001), Українсько-Російському симпозіумі з високомолекулярних сполук, Донецьк (28-30.10.2001), Молодіжній науковій конференції з оксидних функціональних матеріалів, Київ (23-24.04.2002), ХХVIII Конференції молодих вчених з органічної хімії і хімії елементоорганічних сполук, Київ (23-24.05.2002), II Українсько-Польській науковій конференції полімерів спеціального призначення, Дніпропетровськ (27-31.05.2002).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 статей у наукових фахових журналах, 9 тез доповідей на міжнародних і українських конференціях та подана заявка на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, трьох розділів, висновків і списку використаних джерел, що налічує 159 найменувань. У першому розділі наведено огляд літератури щодо створення та використання біологічно інертних та біологічно активних полімерних матеріалів медичного призначення. У другому розділі описані матеріали та методи досліджень, які було використано в роботі. У третьому розділі описана експериментальна частина роботи. Дисертаційна робота викладена на 140 сторінках друкованого тексту, містить 18 таблиць та 24 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Фторовмісні поліуретани для тривалого використання в організмі

З метою створення біосумісних та біологічно інертних полімерів медичного призначення нами одержано ряд лінійних поліуретанів, які містять у своєму складі фторовмісні фрагменти. Синтез поліуретанів проводили двостадійно. На першій стадії шляхом взаємодії толуїлендіізоціанату (ТДІ - суміш ізомерів 2,4/2,6=65/35) з поліоксипропіленгліколем (ППГ Мм ) одержували макродіізоціанат. Потім проводили реакцію поліконденсації макродіізоціанату з фторованими ароматичними діамінами, які використовували як подовжувачі полімерного ланцюга. Синтезовані фторовмісні поліуретани відрізняються між собою ізомерним положенням сечовинних груп полімерного ланцюга. Для вивчення впливу фторовмісних фрагментів на властивості синтезованих полімерів та на їх здатність до утворення надмолекулярних структур нами були синтезовані нефторовмісні аналоги на основі ТДІ, ППГ та ароматичних діамінів - 4,4’-діамінодифенілметану (4,4’-ДАДФМ), біс-(4-амінофенілового)ефіру гідрохінону (БАФЕГХ).

Синтез поліуретанів проводили за схемою:

де:

R1 = -С6Н3(CH3)-; R2 = -(CH2CH(CH3))-О-;

R3 = -(C6H4-O-C6H4-O-C6H4)-, -(C6H4-CH2-C6H4)-,

* - пара-, мета- та орто-ізомери 4,4’-біс(амінофенілового)ефіру тетрафтор- гідрохінону (п-БАФЕТФГХ, м-БАФЕТФГХ та о-БАФЕТФГХ відповідно).

Хімічну будову та склад синтезованих полімерів визначали за допомогою елементного аналізу (табл. 1) та ІЧ-спектроскопії (рис. 1).

Таблиця 1

Характеристики сегментованих поліефіруретаносечовин

Шифр | Склад зразків ПЕУС | []*, | Тпл., | Вихід, | **, | Вміст вуглецю, %

дл/г | С | % | г/см3 | Знай-

дено | Розра-

ховано

ПЕУС-1 | ТДІ, ППГ,4,4’-ДАДФМ | 0,66 | 190-220 | 97 | 1,115 | 63,42 | 64,53

ПЕУС-2 | ТДІ, ППГ, БАФЕГХ | 0,43 | 200-220 | 97 | 1,121 | 64,89 | 65,31

ПЕУС-3 | ТДІ, ППГ, п-БАФЕТФГХ | 0,25 | 210-240 | 99 | 1,133 | 61,48 | 62,35

ПЕУС-4 | ТДІ, ППГ, м-БАФЕТФГХ | 0,18 | 200-220 | 97 | 1,146 | 61,21 | 62,35

ПЕУС-5 | ТДІ, ППГ, о-БАФЕТФГХ | 0,21 | 200-220 | 98 | 1,126 | 61,35 | 62,35

*– характеристична в’язкість; ** - густина полімерів

Синтезовані поліуретани відносяться до сегментованих поліефіруретано-сечовин (ПЕУС), макромолекули яких мають різні за хімічним складом сегменти, або так звані гнучкі й жорсткі блоки, що чергуються. Гнучкими блоками є прості ефірні ланцюги поліоксипропіленгліколю. Жорсткі блоки містять з’єднані між собою бензольними кільцями уретанові та сечовинні групи, які, в свою чергу, з’єднані залишками фторованих або нефторованих діамінів.

Термодинамічна несумісність гнучких і жорстких блоків приводить до стійкого мікрофазового розподілу, що дозволяє отримати полімери з різними властивостями в залежності від хімічного складу сегментів макромолекул таких блок-кополіуретанів.

Аналіз спектрів полімерів показав (рис. 1), що всі спектри ідентичні в областях, де проявляються коливання гнучких сегментів, тобто поліокси-пропіленгліколю. Розбіжності в спектрах спостерігаються в областях, де знаходяться смуги поглинання (800-900, 1000, 1200-300 і 1500 см-1), обумовлені коливаннями в жорстких блоках, які містять залишки діамінів, що були використані для синтезу полімерів.

Рис. 1. Фрагменти ІЧ-спектрів поліефіруретаносечовин: 1 - ПЕУС-2; 2 - ПЕУС-3;

3 - ПЕУС-4; 4 - ПЕУС-5.

Особливу увагу слід звернути на розбіжності в тих областях спектрів, де проявляються коливання сечовинних та уретанових груп, які беруть участь у створенні міжмолекулярних водневих зв’язків. Це смуги коливання в областях 1640-1720 см-1 (валентні коливання С=О груп) і 3300 см-1 (валентні коливання N-H груп).

Порівнюючи спектри вихідних зразків досліджуваних полімерів, видно, що відносна інтенсивність смуги 1640 см-1, яка характерна для водневих зв’язків карбонілу сечовинних груп, для фторовмісного аналога (ПЕУС-3) є більш інтенсивною, тобто кількість водневих зв’язків з участю сечовинних С=О груп більша. В ПЕУС-4 та ПЕУС-5, де сечовинні групи знаходяться в мета-, та орто- положенні фторованого гідрохінонового фрагмента, стеричні перешкоди призводять до найменш вигідних для створення оптимального набору водневих зв’язків конформацій жорстких блоків. Тому в спектрах цих зразків смуга коливання 1640 см-1 відсутня, тобто сечовинні С=О не утворюють водневих зв’язків, а утворюють їх лише уретанові С=О при 1690 см-1.

Щодо груп N-H, то, як правило, усі вони в ПЕУС зв’язані водневими зв’язками і в спектрі проявляються широкою смугою в області 3280-3330 см-1 (вільні NH =3440 см-1). Як видно, у пара-заміщеної фторовмісної ПЕУС-3 смуга коливань NH має чітко виражений максимум при 3290 см-1 і найменшу півширину, що вказує на більшу впорядкованість водневих зв’язків.

Аналіз ІЧ-спектрів зразків фторовмісних ПЕУС показав, що ізомерія залишків фторовмісних діамінів обумовлює формування різних за природою сіток водневих зв’язків та створення різних конформацій жорсткого блоку полімерного ланцюга.

Фізико-механічні дослідження синтезованих ПЕУС наглядно показують (табл. 2), що показники міцності на розрив () та модуля пружності (Е) пара-заміщеної фторовмісної ПЕУС є найвищими, а показники відносного подовження () - найменшими.

Таблиця 2

Фізико-механічні характеристики поліефіруретаносечовин

Шифр | , МПа | , % | Е, МПа

ПЕУС-1 | 15,6 0,4 | 892 6 | 1,63 0,01

ПЕУС-2 | 14,2 0,3 | 780 4 | 1,82 0,01

ПЕУС-3 | 16,4 0,4 | 685 6 | 2,59 0,02

ПЕУС-4 | 4,1 0,1 | 975 8 | 0,42 0,01

ПЕУС-5 | 3,1 0,1 | 902 8 | 0,34 0,01

Такий характер механічних величин зумовлений, з високою вірогідністю, хімічною будовою жорсткого блоку. Це пов’язано з тим, що в ПЕУС-3, де сечовинні групи знаходяться в пара-положенні, утворюється більш стабільна надмолекулярна структура порівняно з іншими ПЕУС. Для ПЕУС-4 та ПЕУС-5 в меншій мірі реалізується утворення внутрішньо- та міжмолекулярних водневих зв’язків, що підтверджується ІЧ-спектроскопічними дослідженнями.

Визначення стабільності поліефіруретаносечовин in vitro та in vіvo

Для визначення стабільності фторовмісних ПЕУС синтезовані зразки піддавали гідролізу експрес-методом (кип’ятіння у кислому та лужному середовищах).

Проведений експрес-методом гідроліз полімерних зразків показав (рис. 2), що пара-заміщена фторовмісна поліефіруретаносечовина (ПЕУС-3) є найбільш стійкою до гідролізу в кислому та лужному середовищах порівняно з іншими полімерами. Це наглядно показує вплив заміщення сечовинних груп у жорсткому блоці на стійкість зразків до гідролізу.

а) у розчині NaOH (10%-ний) б) у розчині Н2SO4 (10%-ний)

Рис. 2. Відносна втрата маси поліефіруретаносечовин (?m/m0, %) після гідролізу експрес-методом

Для визначення біостабільності фторовмісні ПЕУС піддавали гідролізу в фізіологічному розчині а також імплантації у черевній порожнині білих щурів протягом 1 місяця. Біостабільність фторовмісних полімерів оцінювали аналізуючи ІЧ-спектри та зміни механічних показників зразків після їх перебування в фізіологічному розчині та організмі піддослідних тварин протягом певних проміжків часу.

Аналіз спектрів досліджених зразків дозволяє зробити висновок, що суттєвих змін хімічної структури всіх досліджених полімерів після експозиції в розчині модельного середовища та імплантації не відбулось.

Результати механічних досліджень поліефіруретаносечовин до і після гідролізу та імплантації показали (рис. 3), що протягом 1 місяця відбулось деяке збільшення міцності й еластичності зразків.

Рис. 3. Зміна розривної міцності (?, МПа) та відносного подовження (?, %) ПЕУС після гідролізу в модельному середовищі та імплантації протягом 1 місяця

З рисунка видно, що міцність пара-заміщеного фторовмісного полімеру (ПЕУС-3) є найвищою. Тому були продовжені дослідження його біостабільності на більш тривалих термінах імплантації - до 6 місяців (рис. 4).

Дослідження показали, що відбувається стабілізація показників полімеру при 3- та 6-місячних термінах імплантації. Це можна пояснити частковим перерозподілом водневих зв’язків, що призвело до розриву міжланцюгових зв’язків і збільшення впорядкованості в жорстких доменах, зменшення їх дефектності, що, врешті покращило фізико-механічні показники полімеру.

Рис. 4. Зміни розривної міцності (?, Мпа) ПЕУС-3 після імплантації протягом часу (t, міс.)

Таким чином, на підставі ІЧ-спектроскопічних досліджень, механічних випробувань та гідролізу зразків експрес-методом можна зробити висновок, що поліуретан на основі пара-фторовмісного діаміну є стабільним по відношенню до модельних середовищ і організму тварин. В подальшому його може бути рекомендовано для медико-біологічних випробувань як матеріал для тривалого контакту із середовищами та тканинами організму.

Полімерні плівкові композиції з лікувальною пролонгованою дією

З літературних джерел відомо, що поліуретани – клас полімерів, які поряд із високими фізико-хімічними та медико-біологічними властивостями, можуть бути носіями лікарських речовин (ЛР). Для створення плівкових полімерних матеріалів з лікувальною дією були розроблені полімерні композиції, здатні пролонговано вивільняти ЛР до оточуючого водного середовища.

За полімерну матрицю (П) був обраний біосумісний поліуретан на основі поліокситетраметиленгліколю Мм 1000, толуїлендіізоціанату (суміш ізомерів 2,4/2,6 = 65/35) та етиленгліколю, синтезований двостадійно за схемою:

де:

R1 = -С6Н3(CH3)-; R2 = -(CH2)4 -О-; R3 = -(CH2)2-.

Суттєвою характеристикою полімерної матриці є її гідрофільність. Для надання полімерній матриці гідрофільності останню модифікували гідрогелями.

Для модифікації були застосовані такі гідрогелі: полі-(2-гідроксиетил)- метакрилатний гель (ГI), та поліуретановий гідрогель (ГII), що є продуктом взаємодії триметилолпропану, толуїлендіізоціанату (суміш ізомерів 2,4/2,6 = 65/35) та поліетиленгліколю Мм 12000 синтезований за схемою:

де:

R1 = -СН3-СН2-С(СН2-)3; R2 = -С6Н3(CH3)-; R3 = (-O-СН2-СН2-)272.

Для надання антибактеріальних властивостей одержаним композиціям до них вводили цефазолін (ЦЗ), цефобід (ЦБ) та декаметоксин (ДМ) у кількості 5 % від маси поліуретану. Вихід лікарських речовин з композицій визначали при варіюванні вмісту гідрогелю в кількостях 5, 10, 20 і 30 % від маси поліуретану. Контролем служили композиції без гідрогелю.

Оцінка змін фізико-механічних параметрів композицій при введені до їх складу гідрогелів

При дослідженні композицій, модифікованих гідрогелями, видно, що введення до полімерної матриці гідрогелів привело до збільшення міцнісних характеристик одержаних композицій (табл. ). Причому полі(2-гідроксиетил) метакрилатний гідрогель виявив більший вплив на збільшення міцності () та модуля пружності (Е) композицій, ніж поліуретановий гідрогель. Разом з тим, збільшення вмісту гідрогелю ГІ призвело до різкого зменшення еластичності зразків. Таке явище, очевидно, пов`язане з тим, що полі(2-гідроксиетил) метакрилатний гідрогель утворив додаткові водневі зв`язки з молекулами поліуретанової матриці, тим самим збільшивши взаємодії між макроланцюгами модифікованих композицій.

Таблиця 3

Характеристики поліуретанової матриці, модифікованої гідрогелями

Склад | , МПа | , % | Е, МПа | Q*, %

П | 2,33 + 0,08 | 1830 + 3 | 0,12 + 0,02 | 30 + 3

П+ГІ (5%) | 4,10 + 0,09 | 840 + 8 | 0,47 + 0,05 | 80 + 7

П+ГІ (10%) | 4,30 + 0,09 | 770 + 7 | 0,54 + 0,05 | 100 + 9

П+ГІ (20%) | 4,80 + 0,09 | 650 + 9 | 0,74 + 0,05 | 120 + 10

П+ГІ (30%) | 5,20 + 0,09 | 580 + 8 | 0,89 + 0,04 | 150 + 10

П+ГІІ (5%) | 3,30 + 0,09 | 1530 + 10 | 0,22 + 0,05 | 120 + 8

П+ГІІ (10%) | 3,50 + 0,07 | 1200 + 10 | 0,29 + 0,03 | 180 + 9

П+ГІІ (20%) | 3,90 + 0,08 | 1250 + 8 | 0,30 + 0,05 | 210 + 9

П+ГІІ (30%) | 4,30 + 0,09 | 1340 + 9 | 0,32 + 0,02 | 260 + 10

* - водопоглинання модифікованих полімерних композицій

Введення до поліуретанової матриці поліуретанового гідрогелю майже не вплинуло на значення відносного подовження () зразків. Очевидно, поліуретановий гідрогель, маючи одну хімічну природу з поліуретановою матрицею, виступав, як її пластифікатор, зберігаючи при цьому еластичність та підвищуючи розривну міцність модифікованих систем.

Виявлений ефект збереження еластичності поліуретанових систем при модифікації їх поліуретановим гідрогелем є дуже важливим чинником при створенні еластичних плівкових лікарських форм з пролонгованою дією.

Введення гідрогелів до поліуретанової матриці приводить до підвищення гідрофільності і, відповідно, водопоглинання (Q) модифікованих полімерних композицій (табл. 3). З наведених даних видно, що полімерні системи, модифіковані поліуретановим гідрогелем, є більш гідрофільними, ніж модифіковані полі(2-гідроксиетил)метакрилатним гідрогелем.

Введення лікарських речовин до поліуретанової матриці у кількості 5% від її маси суттєво не вплинуло на фізико-механічні показники плівок, лише незначно зменшило розривну міцність.

Визначення пролонгованої дії лікарських речовин у полімерних композиціях

in vitro

Для визначення пролонгованої дії одержаних композицій спектрофотометричним та хроматографічним методами досліджували динаміку виходу ЛР у фізіологічний розчин.

Дані результати свідчать, що із композицій, які не містять гідрогелю, через 1 годину експерименту переходить до розчину значна нерегульована кількість ЛР, а подальший її вихід значно уповільнюється. Це відбувається в результаті розподілення ЛР на поверхні плівок, внаслідок їх структурної несумісності з полімерною матрицею. Відсутність гідрофільності полімерної матриці призводить до незначного виходу ЛР з об’єму композицій.

На прикладі композицій з цефобідом видно (рис. 5), що для полімерних композицій, модифікованих гідрогелями, значно уповільнюється вихід цефобіду протягом першої доби порівняно з композиціями, що не містять гідрогелю. Це відбувається внаслідок рівномірного розподілу ЛР в об’ємі композицій та їх виходу з гідрофільної полімерної композиції до оточуючого водного середовища. Причому при введенні в поліуретанову матрицю поліуретанового гідрогелю досягається більш високий вихід ЛР, ніж при введенні полі-(2-гідроксиетил) метакрилатного гідрогелю.

а) полі(2-гідроксиетил)метакрилатний б) поліуретановий гідрогель

гідрогель

Рис. 5. Динаміка сумарного виходу цефобіду у фізіологічний розчин із модифікованих композицій: 1 - П+ЦБ (5%); 2 - П+Г(5%)+ЦБ; 3 - П+Г(10%)+ЦБ;

4 - П+Г(20%)+ЦБ; 5 - П+Г(30%)+ЦБ.

Як видно з наведених даних, вихід ЛР з модифікованих композицій до оточуючого водного середовища можна регулювати зміною вмісту та хімічною природою гідрогелю у поліуретановій матриці.

Визначення антибактеріальної активності полімерних композицій

З метою визначення антибактеріальних властивостей одержаних композицій в Інституті урології та нефрології АМН України були проведені мікробіологічні дослідження одержаних композицій до і після їх експозиції в фізіологічному розчині протягом 5 діб.

Мікробіологічні дослідження показали (рис. 6), що одержані композиції мають високу чутливість до патогенних та умовно-патогенних мікроорганізмів, яка зберігалась протягом усього терміну спостереження. Введення гідрогелів до складу композиції з ЛР сприяє більш високій активності їх до бактерій після експозиції в фізіологічному розчині протягом усього терміну спостереження у порівнянні із зразками, що не містять гідрогелів. Причому композиції, які містять поліуретановий гідрогель, викликали найбільші зони пригнічення росту патогенних мікроорганізмів, порівняно з композиціями, що мають у своєму складі полі(2-гідроксиетил)метакрилатний гідрогель.

а) цефазолін

б) цефобід

в) декаметоксин

Мікроорганізми: 1 - Staphylocoсcus aureus; 2 - Esсherichia coli; 3 - Proteus міrаbіlіs;

4 - Pseudomonas аеrugіsnоsа; 5 - Klebsiela pneumoniae; 6 - Candida.

1) вихідні композиції 2) після експозиції у фізіологічному

розчині протягом 5 діб при

температурі 37 С

Рис. 6. Антимікробна активність композицій при мікробному навантажені

1 млн. мікробних клітин в 1 мл модельного середовища

Оцінка гістотоксичності полімерів та полімерних композицій

Для оцінки біосумісності одержаних полімерних матеріалів визначали ступінь їх гістотоксичності за допомогою методу культури тканин.

Порогові значення показника гістотоксичності (ПГТ) для одержаних полімерів (табл. 4) визначали за допомогою морфометричних досліджень зон росту культури тканин при внесені витяжок з полімерних матеріалів. При ПГТ 0.72 полімер оцінюють як нетоксичний, при 0.72 ПГТ 0.48 - мало токсичний, при ПГТ 0.27 - полімер сильно токсичний.

Таблиця 4

Оцінка гістотоксичності полімерних матеріалів

Полімерні матеріали | Показники гістотоксичності

ПЕУС-2 | 0.84 0.03

ПЕУС-3 | 0.80 0.03

ПЕУС-4 | 0.80 0.04

ПЕУС-5 | 0.80 0.04

Полімерні композиції з ГI | 0.83 0.03

Полімерні композиції з ГIІ | 0.83 0.04

Таким чином, проведені дослідження дозволяють зробити висновок про відсутність гістотоксичної дії витяжок із досліджених полімерів на культивовані клітини.

Оцінка впливу полімерів та полімерних композицій на оточуючі тканини

in vivo

З метою гістологічного вивчення сполучнотканинної реакції на одержані полімерні матеріали було проведено підшкірну імплантацію полімерних зразків в область спини безпородним білим щурам терміном від 14 днів до 6 місяців.

Результати дослідження фторовмісних поліефіруретаносечовин показали, що вони проявили себе інертними, не викликаючи подразнюючої дії на оточуючі тканини.

Дослідження біологічно активних композицій показали, що в сполучнотканних капсулах, що оточують композиції не виявлено кліткової атипії. Тканинні реакції проходили по типу асептичного запалення без пошкодження оточуючих тканин.

Таким чином, одержані полімерні матеріали є нетоксичними та біосумісними.

ВИСНОВКИ

1. Синтезовано нові біосумісні та біостабільні поліефіруретаносечовини, які містять атоми фтору в жорсткому блоці полімерного ланцюга. Показано залежність хімічних та фізико-хімічних властивостей синтезованих поліуретанів від ізомерного положення введених фрагментів біс-амінофенілового ефіру тетрафторгідрохінону.

2. Встановлено, що введення фторовмісних фрагментів у склад полімерного ланцюга збільшує стабільність синтезованих полімерів по відношенню до модельних середовищ та організму піддослідних тварин та не змінює їх токсичність, яка знаходиться в межах норми.

3. Визначено, що поліефіруретаносечовина на основі пара-(біс-аміно- фенілового)ефіру тетрафторгідрохінону має більш високу біостабільність і фізико-механічні показники, ніж мета-, орто-заміщені та нефторовмісні аналоги, та може бути використана як матеріал для імплантатів тривалої дії.

4. Модифікацією біосумісного поліуретану полі-(2-гідроксиетил)- метакрилатним та поліуретановим гідрогелями одержано нові біологічно активні композиції з пролонгованою дією антибіотиків цефалоспоринового ряду та антисептичного препарату декаметоксину.

5. Показано, що варіюванням хімічної природи та кількості введеного гідрогелю до полімерної матриці можна регулювати швидкість виходу лікарських речовин до оточуючого водного середовища, а також одержувати матеріали із заданими фізико-хімічними та фізико-механічними характеристиками.

6. На основі поліуретанових композицій з гідрогелями одержано еластичні гідрофільні плівкові матеріали з стійкою антибактеріальною активністю. Плівкові матеріали на основі полімерних композицій з антибіотиками цефалоспоринового ряду, модифіковані поліуретановим гідрогелем, проходять доклінічну апробацію як дренажі при операціях на черевній порожнині.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Шекера О.В., Жернова Л.M., Мужев В.В., Храновський В.О., Бородін А.Є. Фторовмісні полімери. Синтез та властивості сегментованих поліефіруретано- сечовин // Доповіді НАН України.– 1998, № 8.– С.158-161.

2. Шекера О.В., Росовицький В.Ф., Нестеров Д.А., Жернова Л.M., Бородін А.Є. В’язкопружні властивості сегментованих фторовмісних поліефіруретано- сечовин // Доповіді НАН України.– 1999, № 2.– С.161-164.

3. Жерновая Л.Н., Галатенко Н.А., Храновский В.А. Изучение биостабильности фторированных полиуретанов // Композиційні полімерні матеріали.– 2000, № 1.– С.26-30.

4. Жернова Л.М., Луговська Г.Г., Починок О.В., Галатенко Н.А. Поліуретанові плівкові матеріали зі стійкою антибактеріальною активністю, що містять декаметоксин // Композиційні полімерні матеріали.– 2001, № 2.– С.131-134.

5. Жернова Л.М., Луговська Г.Г., Починок О.В., Григор’єва М.В., Нечаєва Л.Ю., Галатенко Н.А. Макромолекулярні терапевтичні системи, що містять антибіотики цефалоспоринового ряду // Доповіді НАН України.– 2001, № 10.– С.139-143.

6. Жернова Л.М., Руденко А.В., Луговська Г.Г., Савицька Е.С., Галатенко Н.А. Біосумісні поліуретанові композиції з антибактеріальною активністю // Доповіді НАН України.– 2002, № 5.– С.185-188.

7. Жернова Л.М., Луговська Г.Г., Галатенко Н.А., Савицька Е.С., Наражайко Л.Ф. Вивчення біосумісності та біостабільності фторовмісних поліуретанів // - Хімія, фізика та технологія поверхні.- 2003, вип. 9.- С.134-139.

8. Галатенко Н.А., Луговська Г.Г., Жернова Л.М., Починок О.В., Тарасов Т.А. Cпосіб одержання полімерних плівкових форм ліків пролонгованої дії // Заявка на винахід, пріоритетний № 2001075188 від 20.07.2001.

9. Росовицький В.Ф., Шекера О.В, Бородін А.Е., Нестеров Д.А., Горидько М.Я., Мужев В.В., Жернова Л.М. Вплив будови жорсткого блоку на в’язкопружні властивості сегментованих фторвмісних поліефіруретаносечовин // Матеріали ІІІ Всеукраїнської наукової конференції “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики Ч.2., 1998, Київ, C.159-161.

10. V. Rosovitsky, O. Shekera, L. Zhernova. Invеstigation of viscoelastic properties of fluorocontaining poly(ether uretane urea) of medical apрlication // Abstr. 7-th European federetion symp. on polymeric materials “Polymers Friendly for the Environment”, Szczecin, September 20-24, 1998, Poland, P.266.

11. O. Shekera, A. Borodin, L. Zhernova, V. Muzhev. Fluorocontaining poly(ether uretane urea)s: synthesis and properties // Abstr. 7-th European federetion symp. on polymeric materials “Polymers Friendly for the Environment”, Szczecin, September 20-24, 1998, Poland, P.273.

12. Жернова Л.М., Галатенко Н.А., Храновський B.О. Вивчення біостабільності фторованих поліуретанів // ІХ Українська конференція з високомол. сполук, Київ, 26-28 вересня, 2000, С.54.

13. Жернова Л.М., Луговська Г.Г., Починок О.В., Нечаєва Л.Ю., Григор’єва М.В. Іммобілізація антибіотиків на поліуретанах, модифікованих гідрогелями // ІХ Українська конференція з високомол. сполук, Київ, 26-28 вересня, 2000, С.55.

14.L.N., Lougovskaya G.G., Galatenko N.A. Creation of macromolecular therapeutical systems with the stable antіbacterial activity // Biomed 8, 8th Biomedical Science and Technology Symposium, September 5-8, METU Ankara, 2001, Turkey, Р.58.

15. Жернова Л.М., Луговська Г.Г., Галатенко Н.А. Створення полімерних гідрофільних систем з стійкою антибактеріальною активністю // ХIХ Українська конференція з органічної хімії, 10-14 вересня, Львів, 2001, С.264.

16. Луговська Г.Г., Жернова Л.М., Починок О.В., Галатенко Н.А. Модифікація антибактеріальних полімерних композицій гідрогелями // Украинско-Российский симпозиум по высокомол. соединениям, Донецк, 28-30 сентября 2001, С.96.

17. Zhernova L.N., Lougovskaya G.G., Galatenko N.A. Polymeric film forms of antibiotics with the prolonged effect // The 2-nd Ukraine - Polish Scientific Conference “The Polymers of Special Application, Dnepropetrovsk, 27-31 May, 2002, P.85.

Жернова Л.М. Синтез і дослідження властивостей біологічно активних полімерних матеріалів на основі лінійних поліуретанів.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.10 - біоорганічна хімія. Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена створенню біологічно активних полімерних матеріалів на основі лінійних поліуретанів. Проведено синтез нових біосумісних та біостабільних поліуретанів, що мають ароматичні фторовані фрагменти в жорсткому блоці полімерного ланцюга. Доведено будову синтезованих поліуретанів, проведено їх фізико-хімічні, фізико-механічні та біологічні дослідження. Показано, що пара-заміщений фторовмісний поліуретан має більш високу біостабільність та фізико-хімічні показники, ніж мета-, орто-заміщені і нефторовані аналоги та може бути використаний як матеріал для імплантатів тривалої дії.

Модифікацією гідрогелями поліуретанової матриці, що містить антибіотики цефалоспоринового ряду та антисептичний препарат декаметоксин, одержано нові біологічно активні полімерні композиції з пролонгованою лікувальною дією. Показано, що введенням гідрогелів у поліуретанову матрицю можна регулювати швидкість виходу лікарської речовини до оточуючого водного середовища, а також одержувати матеріали з заданими фізико-хімічними та фізико-механічними характеристиками. На основі полімерних композицій одержано плівкові матеріали з стійкою антибактеріальною дією, які можна використовувати в хірургічній практиці для пригнічення дії патогенних мікроорганізмів при операціях на черевній порожнині.

Ключові слова: поліуретан, біостабільність, гідрогелі, поліуретанові композиції, лікарські речовини, біологічна активність.

Жерновая Л.Н. Синтез и исследования свойств биологически активных полимерных материалов на основе линейных полиуретанов.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.10 - биоорганическая химия. Институт биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена созданию биологически активных полимерных материалов на основе линейных полиуретанов. Проведен синтез новых биосовместимых и биостабильных полиуретанов, содержащих ароматические фторированные фрагменты в жестком блоке полимерной цепи. Доказано строение синтезированных полиуретанов, проведены их физико-химические, физико-механические и биологические исследования. Показано, что химические и физико-химические свойства синтезированных полиуретанов зависят от изомерного положения веденных фрагментов бис-аминофенилового ефира тетрафторгидрохинона. Установлено, что введение фторированных фрагментов в состав полимерной цепи, повышает стабильность синтезированных полимеров по отношению к модельным средам и организму подопытных животных, не изменяя при этом их токсичность. Показано, что пара-замещенный фторсодержащий полиуретан имеет более высокую биостабильность и физико-химические показатели, чем мета-, орто-замещенные и нефторированные аналоги и может быть использован как материал для имплантатов продолжительного действия.

Модификацией поли(2-гидроксиэтил)метакрилатным и полиуретановым гидрогелями биосовместимого полиуретана, содержащего антибиотики цефалоспоринового ряда и антисептический препарат декаметоксин, получены новые биологически активные полимерные композиции с пролонгированным лечебным действием. Показано, что изменением химической природы и количества введенного в полиуретановую матрицу гидрогеля можно регулировать скорость выхода лекарственного вещества в окружающую водную среду, а также получать материалы с заданными физико-химическими и физико-механическими характеристиками. На основе полимерных композиций получены пленочные материалы со стойким антибактериальным действием, которые можно использовать в хирургической практике для подавления действия патогенных микроорганизмов при операциях на брюшной полости.

Ключевые слова: полиуретан, биостабильность, гидрогели, полиуретановые композиции, лекарственные вещества, биологическая активность.

Zhernova L.N. Synthesis and investigation of the properties of biologically active polymeric materials based on linear polyurethanes.- Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in chemical sciences on specialty 02.00.10 - bioorganic chemistry.- Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2003.

The dissertation is devoted to creation of the biologically active polymeric materials based on linear polyurethanes. New biocompatible and biostable polyurethanes containing aromatic flourinated fragments in the hard segments of polymeric chain were synthesized. The structures of new polymers were studied. Their physico-chemical, physico-mechanical and biological investigations were carried out. The fluoro-containing polyurethane with urea groups in the para-position has higher biostability and physico-chemical properties, than meta-, orto-substituted and unfluored analogs and can be used as material for long action implants.

New biologically active polymeric compositions with prolongical medical action were prepared by modification with hydrogels polyurethane matrixe, with antibiotics of chefalosporine row and antiseptic preparation of decametoxine. Introduction of hydrogels into polyurethane matrix can regulate output rate of medicinal substance in water environment and to get materials with settled physico-chemical and physico-mechanical characteristics as well. Film materials with firm antibacterial action based on polymeric compositions were obtained. They can be used in surgical practice for suppression of pathogenic microorganisms action at the abdomen operations.

Key words: polyurethane, biostability, hydrogels, polyurethane compositions, medicinal substances, biological activity.