Закономерности формирования, структурные особенности и свойства композитных скэффолдов на основе поликапролактона и модифицированного гидроксиапатита, сформированных методом электроформования

Актуальность темы диссертации. Проблема, связанная с восстановлением и лечением
поврежденных костных тканей организма человека, обусловлена комплексом социальных и
физиологических причин. Традиционные подходы, в основе которых лежит лечение дефектов
ауто-, гомологичными или металлическими материалами, имеют ряд недостатков и сложно
устранимых ограничений. В наши дни существует огромная потребность в разработке новых
способов получения биокомпозитов с заданными свойствами, позволяющих более эффективно
управлять процессами регенерации костных тканей и сократить срок реабилитационного
периода, что является одним из важнейших подходов медицинского материаловедения,
включающих основные аспекты физики конденсированного состояния.
Одним из перспективных направлений данной области является разработка и исследование
структуры и свойств биокомпозитных скэффолдов (конструкций, матриц), обладающих
заданным набором физико-химических и эксплуатационных свойств. Скэффолды имитируют
внеклеточный костный матрикс (ВКМ), и используются для направленного восстановления
структуры и функциональности поврежденной или утраченной костной ткани. Основными
требованиями при выборе материалов и методов, для создания такого рода конструкций
являются: биосовместимость используемых биоматериалов; оптимальная скорость их
биодеградации, соответствующая росту собственной костной ткани; нетоксичность продуктов
распада; наличие адгезивной поверхности, способствующей прикреплению и пролиферации
клеток; структура и пористость, способствующая распределению клеток в объеме скэффолда,
образованию кровеносных сосудов, доставке питательных веществ и удалению продуктов
жизнедеятельности.
Лидирующее место среди множества биоматериалов, используемых для создания
скэффолдов, занимает гидроксиапатит (ГА), благодаря его сходству по элементному и фазовому
составу с костной тканью. Введение следовых элементов в кристаллическую решетку ГА,
содержащихся в структуре костной ткани, в частности, катионов Sr2+ или анионов SiO44–,
является важным этапом на пути создания биокомпозитов с улучшенными свойствами, так как
позволяет управлять процессами биорастворения, ускорять процессы биоминерализации и
остеоинтеграции конструкции в области дефекта, а также персонализировано решать проблемы,
связанные с лечением костных тканей. Однако, низкая растворимость ГА в биологических
жидкостях организма, а также высокая хрупкость, ограничивает применение данного
биоматериала в чистом виде для создания скэффолдов. Ввиду того что костная ткань – это
композитный материал, состоящий из ГА и природного коллагена, использование его в качестве
наполнителя или модификатора матрицы-основы, которая зачастую выполняется из
биополимера, является перспективным подходом для создания подобного рода конструкции с
оптимальным и заданным набором свойств. В качестве биоматериала основы конструкции может
использоваться зарекомендовавший себя полиэфир – поликапролактон (ПКЛ), ввиду его
биосовместимости, оптимальной для костной ткани скорости биодеградации (2–3 года) и
нетоксичности продуктов распада, а также высокой механической прочности.
Одним из технологически удобных, финансово доступных и эффективных методов,
позволяющих формировать скэффолды, по нашему мнению, является электроформование (ЭФ).
Так как функциональность конструкций существенным образом определяется несколькими
свойствами, которые включают структуру, фазовый и химический состав, то путем варьирования
технологических параметров процесса ЭФ и состава технологической смеси, можно управлять
этими свойства.
Таким образом, в настоящем диссертационном исследовании реализован новый подход,
заключающийся в разработке технологии получения скэффолдов на основе ПКЛ, обогащенных
ГА с изоморфными замещениями, ионами Sr2+ или SiO44-, которые обладают требуемым
сочетанием физико-химических, эксплуатационных и технологических свойств,
способствующих ускоренной регенерации поврежденных костных тканей. Выявление
закономерностей, определяющих достижение заданных свойств композитных скэффолдов,
представляет значительный научный и практический интерес.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время активно ведутся
работы, посвященные разработке технологии получения композитных скэффолдов на основе ГА,
как зарубежными, так и российскими учеными. Известны работы, в которых представлены
исследования скэффолдов, модифицированных чистым ГА различной концентрации [1–4].
Меньше, но также существуют работы, посвященные созданию скэффолдов на основе ГА с
различными катионными и анионными замещениями [5,6]. Данный факт отчетливо
свидетельствует о перспективности данного направления исследований. В опубликованных
работах продемонстрирована принципиальная возможность создания скэффолдов методом ЭФ,
состоящих из случайным образом ориентированных нановолокон, модифицированных
наночастицами ГА и его изоморфными разновидностями. Тем не менее такие конструкции не
нашли широкого применения в медицинской практике ввиду нановолокнистой структуры,
которая отличается недостаточной прочностью и препятствует проникновению во внутреннее
пространство скэффолда костных клеток. Кроме того, на данный момент нет работ,
направленных на изучение влияния концентрации ГА, в том числе с различными катионными и
анионными замещениями, на морфологию, структуру, фазовый и химический состав
композитных скэффолдов с беспорядочно и упорядоченно ориентированными микроволокнами,
имитирующими физическую структуру костной ткани, что обеспечивает прочность конструкции
и сохранность ее формы в процессе имплантации. Данный факт является важным этапом на пути
интеграции скэффолдов в медицинскую практику. Так как внутренняя структура во многом
определяет взаимодействие скэффолда с окружающей средой организма, этому вопросу в данной
работе уделяется особое внимание.
Цель диссертационного исследования состоит в установлении закономерностей
получения композитных скэффолдов на основе поликапролактона и модифицированного
гидроксиапатита, сформированных методом электроформования.
Для достижения поставленной цели в диссертации были сформулированы и решены
следующие задачи:
1. Изучить элементный, фазовый и молекулярный состав поликапролактона и микрочастиц
порошков-прекурсоров модифицированного гидроксиапатита, определить влияние ионов Sr2+
или SiO44– на удельную поверхность дисперсных систем.
2. Изучить закономерности формирования скэффолдов из поликапролактона методом ЭФ в
зависимости от параметров технологического процесса и получить композитные скэффолды на
основе поликапролактона и гидроксиапатита, модифицированного Sr2+ или SiO44– ионами, с
беспорядочно или упорядоченно ориентированными волокнистыми структурами; установить
влияние способов получения скэффолдов на их структуру и морфологию.
3. Выявить закономерности формирования структурно-морфологических и физико-
химических свойств композитных скэффолдов в зависимости от массовой доли микрочастиц
стронций- или кремнийзамещенного гидроксиапатита.
4. Исследовать смачиваемость поверхности и свободную поверхностную энергию
композитных скэффолдов с различной концентрацией микрочастиц порошков-прекурсоров Sr-
или Si-замещенного гидроксиапатита.
5. Определить механизм биодеградации композитных скэффолдов в модельном
биологическом растворе натрий фосфатного буфера (phosphate buffered saline – PBS).
6. Провести биологические исследования in vitro на цитотоксичность, биоактивность и
определить влияние катионов Sr2+ или анионов SiO44– в структуре ГА на жизнеспособность и
жизнедеятельность клеточных культур.
Научная новизна. В работе впервые:
1. Разработан способ получения композитных скэффолдов с микроструктурой, состоящей
из беспорядочно (0–180о) или упорядоченно (60–120о) ориентированных относительно оси z
полярной системы координат волокон с мультимодальным распределением по диаметру,
модифицированных, в частности, микрочастицами гидроксиапатита, содержащим ионы Sr2+ или
SiO44–.
2. Установлены физико-химические закономерности формирования композитных
скэффолдов методом электроформования, состоящих из полимерных волокон,
модифицированных Sr- или Si-замещенным гидроксиапатитом. Наличие микроагломератов
порошков-прекурсоров в полимерной матрице приводит к увеличению разброса диаметра
волокон в диапазоне 0,2–30 мкм за счет встраивания микрочастиц стронций- или
кремнийзамещенного гидроксиапатита объемом 1–104 мкм3 в их структуру; увеличение
концентрации стронций- или кремнийзамещенного гидроксиапатита от 10 до 15 мас.% приводит
к увеличению фазы модифицированного гидроксиапатита в структуре полимерного скэффолда;
удельная поверхность микрочастиц порошков-прекурсоров, размер и ориентация волокон
определяют пористость скэффолдов.
3. Показано, что добавление 15 мас.% Sr- или Si-замещенного гидроксиапатита в чистую
полимерную матрицу приводит к уменьшению ее гидрофобности и увеличению поверхностной
энергии от ~ 5 до 30 и 32 мДж/м2 (беспорядочно ориентированные волокна) и от ~ 3 до 43 и 47
мДж/м2 (упорядоченно ориентированные волокна) за счет полярной составляющей, благодаря
наличию молекулярных PO43– и OH– групп в структуре гидроксиапатита.
4. Установлено влияние Sr- или Si-замещенного гидроксиапатита модификаторов в
полимерной матрице на механизмы биодеградации скэффолдов в модельной биологической
среде (PBS). Установлено, что различная степень биодеградации конструкций связана с
влиянием их морфологии, структуры и химического состава.
Практическая значимость работы. Сформированные методом электроформования
композитные скэффолды, модифицированные гидроксиапатитом с катионным замещением
ионами Sr2+ или анионным замещением ионами SiO44– с беспорядочно или упорядоченно
ориентированными волокнистыми структурами, обладают улучшенной биоактивностью,
биорезорбируемостью и имеют потенциал применения в качестве готового продукта в
персонифицированной медицине. Полученные в диссертационной работе результаты могут в
дальнейшем быть использованы при разработке технологий синтеза скэффолдов на основе
полимерных биоматериалов, включающих различные изоморфные разновидности ГА,
обладающие заданным набором физико-химических и эксплуатационных свойств.
Методология и методы исследования. Методология диссертации основана на
комплексном и системном подходе к анализу современных проблем в области создания
биосовместимых материалов с использованием эффективных методов исследования.
В диссертационной работе были использованы следующие методы исследования:
рентгенофазовый анализ, инфракрасная спектроскопия, оптическая микроскопия, сканирующая
электронная микроскопия, энергодисперсионный рентгеновский анализ, высокоразрешающая