МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Документ СМК 3 уровня

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ
КАЗАХСТАН
СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД 042УМКД
Редакция № 3 от
14.01.06.01.20.129/03Учебно-методические
30.09. 2010
2010
материалы по дисциплине
«Медико-биологические
полимеры»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
«МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ»
Для специальности магистратуры 6N0606 – «Химия»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
СЕМЕЙ
2010
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 2 из 40
СОДЕРЖАНИЕ
№
1.
2.
3.
Наименование
Лекции
Практические занятия
Самостоятельная работа магистрантов
Страницы
3-37
37
37
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 3 из 40
Лекции
Лекция 1 - Собственная физиологическая активность водорастворимых
полимеров
Содержание:
1. Собственная физиологическая активность водорастворимых полимеров
2. Полимеры с неспецифической активностью
3. Поликатионы
4. Полианионы
1. Под собственной физиологической активностью полимеров понимают
активность, которая связана с полимерным состоянием и не свойственна
низкомолекулярным аналогам или мономерам. Механизмы проявления
собственной физиологической активности включают в себя физические
эффекты, связанные с большой массой, осмотическим давлением,
конформационными перестройками а также могут быть связаны с
межмолекулярными взаимодействиями с биополимерами организма.
По проявляемой физиологической активности синтетические полимеры
могут быть разделены на пять больших групп.
1. Нейтральные
полимеры
с
неспецифической
активностью,
физиологическая активность которых обусловлена их физико-химическими
свойствами и почти не специфична в отношении конкретной структуры,
которая может быть различной. Важным свойством таких полимеров
является незначительное взаимодействие со структурными элементами
организма и, прежде всего, с клеточными мембранами и биополимерами.
2. Поликатионы, физиологическая активность которых зависит в первую
очередь от плотности и распределения положительных зарядов и только
затем — от конкретной структуры. Поликатионы кооперативно взаимодействуют с биополимерами с образованием полиэлектролитных комплексов
и сильно связываются поверхностью клеток.
3. Полианионы, активность которых определяется преимущественно
отрицательным зарядом. Они конкурируют с биополимерами в природных
полиэлектролитных комплексах.
4. Синтетические аналоги нуклеиновых кислот. В них вместо углеродфосфатного скелета биополимера находится цепочка синтетического
полимера, заряженного или электронейтрального. При сохранении
специфического взаимодействия между парами остатков пуриновых и
пиримидиновых оснований возникают новые эффекты, не свойственные
отрицательно заряженным нуклеиновым кислотам.
5. Полимеры с различными другими функциональными группами. В эту
группу условно входят полимеры разнообразных структур и механизмов
действия. В отличие от полимеров прививочного типа в них нельзя выделить
какой-либо структурный элемент (фармакофор), полностью ответственный за
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 4 из 40
физиологическую активность, так как низкомолекулярные аналоги
полимеров данной группы такой активностью не обладают.
2. К ним относятся противошоковые кровезаменители и кровезаменители
дезинтоксикационного
действия.
Противошоковые
кровезаменители
предназначены для поддержания необходимого объема циркулирующей
крови и ее осмотического давления в течение времени, достаточного для
физиологического восстановления кровопотери. После этого полимер
должен быть полностью выведен из организма. Разовая доза таких
полимеров — до 100 г, поэтому требования к отсутствию токсичности и
антигенности полимеров, используемых как кровезаменители, очень высоки.
Наиболее широко применяемым противошоковым кровезаменителем
является «клинический» декстран, «Реополиглюкин», «Макродекс»,
Реомакродекс».
Строение макромолекул и ММР оказывают решающее влияние на
биологические свойства гидролизованного декстрана: повышение степени
разветвленности вызывает рост иммуногенности, а ММР определяет время
циркуляции полисахарида в кровяном русле: высокомолекулярный декстран
токсичен. Важным фактором является способность гидролизованного
декстрана практически полностью выводиться из организма. Фракции с M w
> 50 тыс. выводятся постепенно через почки и тем быстрее, чем меньше М .
Полисахарид способен к ферментативной биодеструкции глюкозидазами, что
приводит к уменьшению М и облегчает выведение через почки. Конечным
продуктом распада декстрана является глюкоза, утилизируемая организмом.
Таким образом, «клинический» декстран является примером ФАП, который в
результате почечной фильтрации и метаболизма полностью удаляется из
организма. Лечебный эффект декстрана определяется его коллоидноосмотическими свойствами и вязкостью применяемых растворов, а также
проницаемостью через капиллярные сосуды. Все эти свойства связаны с
ММР. Промышленное производство декстрана путем биосинтеза имеется во
многих странах. Описан полный химический синтез неразветвленного декстрана.
3. Физиологическая активность поликатионов весьма многообразна и
связана главным образом с их полиэлектролитной природой. Структура
макромолекул поликатионов, а также характер связей играют важную роль в
стабильности образующихся поликомплексов, но самообразование
равновесных поликомплексов или продуктов незавершенных реакций
происходит почти всегда. Поликатионы могут вызывать фазовые переходы в
липидах, образовывать сшивки электроотрицательных областей клеточных
мембран и даже стягивать их вместе. Механизм повышения проницаемости
мембран для анионов при этом сводится к образованию дефектов в липидном
бислое. В присутствии белков сыворотки крови такие дефекты быстро
«заплавляются». Поскольку указанные здесь факторы мало специфичны в
отношении
конкретной
структуры,
физиологическая
активность
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 5 из 40
поликатионов в общем однотипна, хотя ее количественные характеристики
могут быть различны для разных полимеров. Наибольшее значение имеют
плотность заряда и молекулярная масса.
Существует группа - ионены - гетероцепные полимеры, содержащие
четвертичные атомы азота в главной цепи на определенных расстояниях друг
от друга (формула 1).
Ионеновые полимеры обладают довольно сильной бактерицидной
активностью в отличие от низкомолекулярных бисчетвертичных аммониевых
солей. Степень бактерицидности зависит от структуры. Так, бромид 6,6ионена (1.1, т = п = 6, X = Вг) вдвое менее активен, чем бромиды 3,3ионена и 6,10-ионена. Механизм бактерицидного действия включает
адсорбцию ионенов на клеточных стенках бактерий, однако это происходит
не всегда. При проникновении внутрь клетки ионены могут образовывать
полиэлектролитные комплексы с ДНК, причем прочность комплекса зависит
от структуры ионена.
Значительная сорбция поликатионов на клеточных мембранах зависит от
величины
отрицательного
заряда
мембран.
Ионены
селективно
взаимодействуют с опухолевыми клетками, имеющими больший
отрицательный заряд по сравнению с нормальными клетками. Этот факт
может быть использован в диагностике. Цитотоксичность ионенов
специфична по отношению к лейкозным клеткам. Поликатионы, содержащие
заряженные группы в боковых цепях обладают аналогичными свойствам
ионенов.
4. Биологическая активность полианионов весьма разнообразна и подобна
активности
гликопротеинов
и
нуклеиновых
кислот.
Отмечены
противоопухолевое,
противовирусное,
иммуномодулирующее,
интерфероногенное и другие виды действия. Физиологическая активность и
токсичность полианионов сильно зависит от М и ММР. Для практических
цепей наиболее существенно ингибирующее действие полианионов на митоз,
поэтому их можно рассматривать как потенциальные противоопухолевые
средства.
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 6 из 40
Полианионы,
содержащие
сульфогруппы
(поливинилсульфонат,
поливинилсульфат, сульфат декстрана и т. д.), представляют собой аналоги
гепарина.
Они
обладают
противосвертывающей
активностью,
противоопухолевым действием, являются индукторами интерферона.
Полианионы, содержащие карбоксильные группы, менее токсичны, чем
полисульфаты. Для индуцирования интерферона и проявления противовирусных и противоопухолевых свойств наиболее существенны плотность
отрицательных зарядов и М полианионов. Весьма разнообразной
биологической активностью обладает сополимер дпвинилового эфира с
малеиновым ангидридом в соотношении 1:2 («пирановый» сополимер).
В реальном сополимере сосуществуют оба вида структур. Принципиальных
различий между этими структурами нет, хотя влияние потенциальной
структурной неоднородности на биологическую активность «пиранового»
сополимера не изучалось.
Практически важный эффект при взаимодействии полианионов с клетками
заключается в кратковременном местном повышении проницаемости их
мембран. Это связано с тем, что отрицательно заряженные в целом
клеточные мембраны имеют изолированные поликатионные области, на
которых и сорбируются полианионы. В результате в липидном бислое
образуются дефекты, которые повышают проницаемость мембраны как для
полианионов, попадающих внутрь клетки, так и для содержимого клетки,
которое частично выходит наружу. Белки плазмы крови довольно быстро
заплавляют образовавшиеся «отверстия». Полианионы являются активными
интерфероногенами. Интерферон представляет собой белок, продуцируемый
организмом в ответ на вирусную инфекцию и стимулирующий
неспецифическую сопротивляемость организма. Среди полимеров,
являющихся индукторами интерферона наиболее активным оказался
синтетический двунитчатый полинуклеотид поли-(И), поли-(Ц), обладающий
большой
терапевтической
широтой.
Для
проявления
высокой
интерфероногенной активности синтетические рибонуклеотиды должны
удовлетворять ряду требований: необходимо наличие двухцепочечной
спиральной структуры, стабильности к рибонуклеазам, М должна быть >270
тыс.
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 7 из 40
5. Известно значительное число ФАП с «собственной» активностью, которые
трудно объединить в какие-то группы в соответствии с их структурой. Одну
из таких групп полимеров представляют поли-N-оксиды третичных аминов,
содержащие N-оксид, группы в боковых группах или в главной полимерной
цепи.
Поли-2-винилпиридин-N-оксид
обладает
значительным
противосиликозным (антифиброзным) действием и относительно высокой
терапевтической широтой. При внутривенном или ингаляционном введении
он ингибирует уже развившийся силикоз. Активность этого полимера
зависит от М , степени превращения третичных аминогрупп в N-оксидные и
конфигурации заместителей в главной полимерной цепи.
Полимерные N-оксиды с оксидной группировкой в основной цепи
растворимы в воде, нетоксичны и обладают выраженной антифиброзной
активностью. Главные цепи этих гетероцепных полимеров подвержены
биодеструкции, что позволяет выводить их из организма. Наиболее
эффективны полимеры с М = 20—40 тыс. Помимо полимерных N-оксидов
противосиликозной активностью обладают и другие полимеры, например
поли-1-винил-1,2,4-триазол. Следовательно, наличие N-оксидных групп в
полимере не обязательно для проявления противосиликозной активности.
Лекция 2 - Молекулярное конструирование полимерных производных
физиологически активных веществ
Содержание:
1. Особенности ФАВ
2. Механизмы
действия
физиологически
активных
полимеров
«прививочного» типа
3. Полимеры-носители.
4. Целенаправленный транспорт физиологически активных полимеров в
организме.
1. 1. Аддитивность свойств физиологически активных полимеров (ФАП):
физико-химические свойства системы определяются в основном полимеромносителем,
а
физиологическая
активность
—
присоединенным
физилогически активным веществом (ФАВ).
2. Пониженная способность ФАП проникать через клеточные мембраны и
различные биологические барьеры, что приводит к ограниченному
распространению ФАП в организме.
3. Способность ФАП к метаболизму понижена вследствие их полимерной
природы. ФАП — худшие субстраты для метаболизирующих ферментов, чем
исходные ФАВ. Это еще одна причина пролонгации действия
присоединенных ФАВ.
4. Пути проникновения ФАП в клетку отличаются от путей проникновения
низкомолекулярных ФАВ. Поэтому мишени вне или на поверхности клеток и
мишени внутри клеток по-разному доступны для полимеров и низкомоле-
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 8 из 40
кулярных соединений. Физиологические эффекты свободного ФАВ и ФАВ,
связанного с полимером, могут быть совершенно различны из-за воздействия
на разные субстраты в организме.
5. Взаимодействие ФАП с субстратами в организме, когда оно происходит
без отщепления действующего начала, может быть принципиально иным,
чем взаимодействие с теми же субстратами низкомолекулярных ФАВ. В
отличие от низкомолекулярных веществ полимерные молекулы способны к
кооперативным взаимодействиям, что хорошо показано на примере реакций
между полиэлектролитами. Макромолекулы могут не только изменять
специфичность, сродство и кинетику взаимодействия связанных с ними
фармакофоров
с
рецепторами,
они
способны
организовывать
перегруппировку рецепторов клеточной мембраны, образовывать кластеры и
т. д., а неспособность полимеров быстро проникать внутрь клеток может
отсечь пути их воздействия на внутриклеточные рецепторы.
2. Возможны два основных механизма действия ФАП. В соответствии с
первым из них ФАП на всех этапах действует как полимерное соединение и
действующее
начало не выделяет. Такие полимеры иногда называют
«истинными» ФАП, они напоминают ФАП с собственной активностью, но в
отличие от последних низкомолекулярные аналоги этих ФАП тоже активны.
Другой механизм действия ФАП «прививочного» типа заключается в том,
что в тот или иной момент ФАП отщепляет действующее начало , которое
оказывает эффект в низкомолекулярном виде. В этом случае полимер
выполняет ряд вспомогательных функций, в основном — транспортных,
повышая эффективность действия ФАВ.
Если отщепление ФАВ происходит в желудочно-кишечном тракте, то
наблюдается некоторая пролонгация действия и возможно отщепление ФАВ
в заданной области.
При парэнтеральном введении ФАП отщепление активного начала может
происходить в процессе циркуляции ФАП в кровяном русле. В этом случае
наблюдается пролонгация действия ФАВ, а «пиковые» концентрации ФАВ в
крови отсутствуют. Этот механизм характерен, например для ФАП,
действующих на центральную нервную систему, а также для ФАП, мишень
которых находится в кровяном русле или если рецепторы трудно доступны
для полимеров. ФАП, высвобождающие ФАВ до контакта с целевыми
клетками, представляют собой депо этих соединений и могут
рассматриваться как высокомолекулярные пролекарства. Высвобождение
низкомолекулярных ФАВ может также происходить при контакте с клеткой,
около ее поверхности, что создает повышенную концентрацию в месте
действия. С достоверностью такой механизм действия для конкретных ФАП
пока не установлен.
3. Полимер-носитель определяет в основном физико-химические и
биологические свойства ФАП, а также объединяет элементы ФАП —
действующее начало и группировки, обеспечивающие «узнавание» цели и
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 9 из 40
проникновение в клетки, в единое целое. Для использования в качестве
носителей ФАВ полимеры должны удовлетворять ряду требований.
1. Полимер должен растворяться в воде. Растворимость создается
определенным
гидрофильно-липофильным
балансом
между
присутствующими в полимере полярными группами и гидрофобными
участками — во многих случаях гидрофобной главной цепью.
2. М и ММР полимера-носителя должны обеспечивать достаточно
длительную циркуляцию ФАП в кровяном русле. Для этого полимерноситель должен иметь достаточно высокую М . В то же время для
выведения через почки М должна быть сравнительно низкой. Это
противоречие
может
быть
разрешено
использованием
биодеструктирующихся полимеров. Оптимальная М полимеров-носителей в
большинстве случаев находится в пределах 20—80 тыс., для
небиодеструктируюшихся полимеров ее приходится ограничивать 30 тыс.
3. Полимер-носитель должен содержать функциональные группы, к
которым можно присоединить ФАВ; это группы —ОН, —NH2, —СНО, —
СООН. Реакции присоединения ФАВ должны быть по возможности просты и
однозначны.
4. Полимер-носитель
должен
быть
биосовместим,
т.
е.
не
взаимодействовать с кровью, не вызывать токсических эффектов и не быть
антигенным. В качестве носителя ФАВ используют физиологически
активные полимеры: альбумин, гепарин, пирановый сополимер, поли-Lлизин и т. д.
5. Полимер-носитель должен быть доступен, желательно, чтобы
производство его для медицинских целей уже было освоено. Примером
могут служить противошоковые кровезаменители и прежде всего декстран.
Такие процессы, как сшивание или разрыв полимерных цепей,
фракционирование и химическая модификация приводят к изменению
физико-химических свойств при переходе от полимера-носителя к ФАП.
По химической природе носители ФАВ представляют собой
функциональные полимеры. Практически все они содержат «вставку» или ее
часть в виде боковых цепей, от 1 до 5—7 и более атомов. Карбоцепные
полимеры широко используются как носители ФАВ вследствие простоты
синтеза и больших возможностей варьирования структуры. Молекулярная
масса карбоцепных полимеров-носителей должна быть ограничена
указанными выше пределами.
В качестве полимеров-носителей нашли применение также все три
основных класса биополимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые
кислоты.
Выбор полимера-носителя для получения конкретного ФАП зависит от
ряда факторов:
1) фармакокинетические свойства полимера-носителя, позволяющие ему
достигать места действия в организме;
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 10 из 40
2) наличие в полимере-носителе необходимых функциональных групп для
связывания ФАВ или ФАВ со «вставкой» выбранным типом связи, который
зависит от предполагаемого механизма действия ФАП и обеспечивает
отщепление ФАВ в месте проявления активности;
3) М и ММР полимера-носителя, которые определяют сроки его
циркуляции в кровяном русле в соответствии со скоростью выведения через
почки и скоростью поглощения клетками ретикуло-эндотелиальной системы;
4) способность полимера-носителя электростатически связываться с
поверхностью клетки или с помощью подходящих функциональных групп и
затем проникать внутрь клеток;
5) способность полимера-носителя к биодеструкции в случае превышения
предела М, чтобы полимеры данного типа или их метаболиты могли бы
выводиться через почки;
6) наличие собственной физиологической активности полимера-носителя и
ее соотношение с активностью ФАВ;
7) доступность стандартного полимера-носителя, если предполагается
создание полимерного лекарственного препарата.
4. Одно из наиболее важных преимуществ, которое может быть
реализовано в ФАП, это селективность по отношению к одному или
немногим типам клеток или органов. Это относится к ФАП, действующим на
поверхности клеток или внутри них, для которых можно выделить три
уровня селективности. На первом полимерный носитель только препятствует
взаимодействию ФАП с одним или немногими видами нецелевых клеток. На
втором повышенная концентрация ФАП наблюдается в органе-мишени, а
концентрация его вне мишени такая же или ниже, чем при использовании
соответствующего низкомолекулярного ФАВ. Третий уровень селективности
имеет место в том случае, когда ФАП действует только на целевые клетки
или клетки органа-мишени.
Для ФАП, действующих вне клеток, могут быть достигнуты лишь первые
два уровня селективности. Низкая способность полимеров проникать через
капиллярные барьеры и другие биомембраны позволяет превратить
присоединенные ФАВ общего действия в местно или ограниченно
действующие.
Для ФАП, действующих внутри клетки, первые два уровня селективности
достигаются еще и изменением способа проникновения внутрь клеток.
Третий уровень селективности заключается в распознавании ФАП
единичных типов клеток и в специфическом взаимодействии с ними.
Процесс распознавания может иметь место на уровне клеточной мембраны,
после чего ФАП либо действует на поверхности клетки, либо проникает в нее
посредством одного из видов эндоцитоза. Для специфического
распознавания полимер-носитель должен содержать лиганды («векторы»),
взаимодействующие с элементами поверхности клеток нужного вида. Сам
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
процесс
очень
напоминает
осуществляемую in vivo.
Редакция № 3
30.09.
2010г
биоспецифическую
стр. 11 из 40
хроматографию,
Лекция 3 - Синтез физиологически активных полимеров
Содержание:
1. Стратегия синтеза.
2. Тактика синтеза.
3. Реакции, применяемые в синтезе физиологически активных полимеров.
1. Для ФАП существует две главных стратегии синтеза. Первая из них заключается в создании полимерной цепи посредством (со)полимеризации или
(со)поликонденсации соответствующих мономеров, вторая состоит в
химической модификации готовых полимерных молекул.
В соответствии с первой стратегией синтез ФАП начинается с получения
соответствующих мономеров - виниловых, акриловых и аллильных. Эти
мономеры обычно получают введением ненасыщенных групп в молекулы
ФАВ. Синтез ФАП из указанных мономеров обычно заключается в
радикальной полимеризации. Остаток ФАВ, который содержит различные
функциональные группы, не должен участвовать в процессе полимеризации.
Особенно нежелательна даже минимальная химическая модификация остатка
ФАВ в ходе полимеризации, которая может привести к изменению
ожидаемой физиологической активности полимера. Общая схема синтеза
ФАП (со) полимеризацией приведена на рис. 1.
Рисунок 1. Схема синтеза ФАП со(полимеризацией)
Преимущества синтеза ФАП (со)полимеризацией: простота и универсальность этого метода для карбоцепных полимеров.
2. Основной вопрос тактики синтеза заключается в выборе оптимальных
способов образования связей полимера-носителя со «вставкой» (X) и
«вставки» с ФАВ (X'). Существенным моментом тактики синтеза ФАП
является выбор реакционной среды. Желательно проводить модификацию
полимеров в растворе во избежание получения композиционного
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 12 из 40
неоднородного ФАП. Растворитель должен обеспечивать наиболее
развернутую конформацию модифицируемого полимера как до, так и после
реакции. Растворитель не должен вызывать агрегацию полимера. Если
полимер не растворим в применяемом растворителе, то он должен в нем
хорошо набухать, чтобы свести диффузионные ограничения к минимуму.
Низкомолекулярные компоненты реакции в этом случае должны быть
растворимыми.
Хорошая очистка синтезированных водорастворимых ФАП очень
существенна для проявления физиологической активности. Она включает два
этапа. Первый из них заключается в освобождении полимера от
низкомолекулярных примесей: солей, исходных реагентов, продуктов
реакции. Для этой цели используют переосаждение, диализ, ультрафильтрацию и молекулярно-ситовую хроматографию. Второй этап очистки
синтезированных ФАП заключается во фракционировании полимерных
продуктов реакции по составу и М . Используемые на данном этапе методы в
основном хроматографические.
Очищенные ФАП должны быть тщательно охарактеризованы. Важнейшая
первичная характеристика ФАП — содержание действующего начала.
Целесообразно оценивать степень замещения функциональных групп в
полимере-носителе на остатки ФАВ, а также эффективность использования
наиболее ценного реагента, обычно ФАВ или ФАВ со «вставкой». Эти
расчеты делаются на основе данных УФ-спектра и (или) элементного
функционального и других видов анализа. При достаточно высокой степени
модификации исходного полимера достаточно информативны ИК- и ЯМРспектроскопия. Желательно определение ММР, так как физиологическая
активность зависит от этого параметра.
3. Основные требования к реакциям модификации: высокая эффективность;
проведение реакции в условиях, не вызывающих существенной деструкции
или сшивания полимера; сведение к минимуму побочных реакций,
приводящих к введению в полимер новых функциональных групп или к
нежелательной модификации присоединяемого ФАВ; однозначность
протекания реакции, приводящая к единственному типу связи ФАВ с
полимером-носителем.
В физиологических условиях полимеры-носители должны быть химически
инертны. Для присоединения ФАВ или ФАВ со «вставкой» к полимеруносителю один из двух участников реакции приходится активировать —
переводить в реакционно-способное, часто мало устойчивое соединение.
Превращения активированных групп в большинстве случаев неоднозначны.
Помимо образования нужной химической связи они превращаются в
исходные соединения и дают побочные продукты.
Для образования прочных связей X между полимером-носителем и ФАВ,
ФАВ с «вставкой» или с «вставкой» обычно используют 0-, Н- или Салкилирование. Более приемлемы эпоксиды, реагирующие в относительно
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 13 из 40
мягких условиях и образующие дополнительную гидроксильную группу у αуглеродного атома:
Эпоксидные циклы входят в состав эпоксипропильных групп, которые
присоединены к полимерам в виде простых или пространственно
затрудненных сложных эфиров.
Наиболее популярный и самый мягкий метод образования гидролитически
стабильных связей — восстановительное N-алкилирование. Оно состоит во
взаимодействии альдегидов с первичными аминами и последующем
восстановлении, обычно борогидридами.
Ацилазиды (смешанные ангидриды карбоновой и азотистоводородной
кислот) менее активны, чем эпоксиды. Способы их получения
многостадийны, что приводит к образованию различных функциональных
групп из-за незавершенности промежуточных реакций, а также из-за
побочных реакций распада ацилазидных групп.
Лекция
4
Полимерные
производные
низкомолекулярных
физиологически активных веществ
Содержание:
1. Полимерные производные веществ, действующих на нервную систему.
2. Полимерные производные гормонов и других биорегуляторов.
3. Полимерные производные с противоопухолевой активностью.
4. «Прививочные» полимеры, действующие на имунную систему.
1. ФАП, действие которых направлено на нервную систему, можно условно
разделить на три группы: производные местных анестетиков, производные
нейромедиаторов и производные ФАВ, действующих на центральную
нервную систему. Для ФАП с нейротропной активностью решающим
является механизм действия. Высокомолекулярные соединения не способны
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 14 из 40
проникать через гемато-энцефалический барьер, и поэтому мишени в центральной нервной системе для них недоступны. Для воздействия на
последнюю ФАВ должно отделиться от полимера в результате гидролиза и
преодолевать гемато-энцефалический барьер уже не будучи связанными с
полимером.
Наибольший интерес представляют ФАП на основе нейромедиаторов.
Последним соответствует обширная группа рецепторов разнообразной
локализации, поэтому, изменяя относительное сродство к различным видам
рецепторов и избирательно воздействуя на рецепторы данного вида
определенной локализации, можно ожидать возникновения новых эффектов.
Под ответом рецептора на действие того или иного вещества подразумевают
два последовательных акта: специфическое связывание с рецептором и
индуцирование физиологического ответа. Если вещество специфически
связывается с рецептором и вызывает характерный физиологический ответ за
счет обратимых изменений в рецепторе, то его называют агонистом. Если
имеет место только первая стадия — связывание, а вторая— ответ — не
наблюдается, то вещество называют антагонистом данного рецептора. В тех
случаях, когда антагонист связывается с рецептором сильнее, чем обычные
агонисты, его называют блокатором.
Среди
нейромедиаторов
наибольший
интерес
представляют
катехоламины. Катехоламины имеют большое значение для регуляции
гомеостаза организма и деятельности важнейших его систем. Действие
иммобилизованных ФАВ длится дольше, чем действие тех же ФАВ в
растворе.
Иммобилизованные катехоламины сохраняют возможность принять
конфигурацию, необходимую для взаимодействия с рецептором. Реализация
этой возможности зависит от типа функциональных групп катехоламинов,
использованных для присоединения к полимеру, наличия подходящей
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 15 из 40
гидрофильной «вставки» между полимером-носителем и катехоламином и
локализации субстрата. Нерастворимые полимерные производные
катехоламинов могут быть применены для создания нового типа лекарств
«аппликационного» действия.
2. Полимерные производные стероидных гормонов. К ним относятся:
карбонаты высокоза мешенной О-(2-гидроксипропил) целлюлозы с эстроном
и тестостероном; поли-N-(3-гидроксипропил) глутамин ( М — 53 тыс.); 17эстрадиол, 17-этинилэстрадиол и 3-метиловый эфир дигидроэстрадиола.
Поликатионные
производные
тестостерона
сополимеризацией соответствующих мономеров.
синтезированы
В целом полимерные производные стероидных гормонов как пролекарства
с пролонгированным действием пока не дали сколько-нибудь впечатляющих
результатов. Это связано как с проблемой растворимости, так и с
неравномерным выделением низкомолекулярных ФАВ в результате
гидролиза. Конкурирующее направление — применение стероидных
гормонов в макромолекулярных терапевтических системах — принесло
несравненно большие результаты.
Полимерные производные пептидных гормонов и их аналогов. Относятся:
декстрановые производные аналогов эледоизина, в которых пептид связан с
полимером-носителем амидной или сложно-эфирной связью.
3. Опухолевая клетка может быть разрушена двумя путями: либо
нарушением жизненно важных процессов, происходящих в этой клетке на
молекулярном уровне в результате подавления определенных химических
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 16 из 40
превращений, либо нарушением целостности самой клетки в результате
нарушения структуры плазматической мембраны.
По установленному или предполагаемому механизму действия
противоопухолевые ФАВ могут быть разделены на три группы:
алкилирующие агенты, антиметаболиты и ФАВ с иными механизмами
действия. К алкилирующим агентам относятся ФАВ, которые
взаимодействуют с важнейшими биополимерами внутри клетки. Это
производные 2-хлорэтиламина или 2,2-бис-(хлорэтил) амина, производные
этиленимина и ряд других. Сшивая биополимеры, ФАВ этой группы
препятствуют выполнению ими своих функций. Антиметаболиты
представляют собой структурные аналоги веществ, участвующие в
нормальном обмене, в частности пуринов, пиримидинов, фолиевой кислоты
и т. д. Включаясь в метаболизм, антиметаболиты останавливают процесс на
одной из стадий. К антиметаболитам относятся меркаптопурин, 5фторурацил, метотрексат и др.
Применяемые в медицине противоопухолевые ФАВ эффективно
уничтожают опухолевые клетки, однако почти столь же сильно они
воздействуют и на нормальные клетки. Недостаточная терапевтическая
широта как следствие высокой и не избирательной токсичности в
применяемых дозах представляет собой основное препятствие при
химиотерапии опухолей. Для его преодоления необходим целенаправленный
транспорт противоопухолевых ФАВ преимущественно в опухолевые клетки
— создание транспортных форм цитотоксичных веществ, обладающих
повышенным сродством к опухолевым клеткам и возможностью проникать в
них.
Противоопухолевое ФАВ может быть непосредственно соединено с
лигандом, специфичным в той или иной мере для опухолевых клеток данного
вида. Однако выгоднее соединять эти два компонента через полимерноситель, что ограничивает распространение токсичного ФАВ и позволяет
использовать свойства самого полимера: склонность к эндоцитозу,
регулируемые заряд и М , кооперативные взаимодействия и т. д. В общей
форме
механизм
действия
прививочных
ФАП,
содержащих
противоопухолевые ФАВ, выглядит так. ФАП связывается с клетками в
соответствии со своим суммарным зарядом и гидрофильно-липофильным
балансом, а также с помощью биоспецифического лиганда, если он есть,
после чего подвергается эндоцитозу. В результате переваривания в
лизосомах происходит внутриклеточное выделение действующего начала,
приводящее к гибели данной клетки. Таким образом, роль полимераносителя заключается в данном случае в целевом транспорте и облегчении
проникновения ФАВ в быстро эндоцитирующие, в том числе опухолевые,
клетки.
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 17 из 40
4. Среди систем организма, предназначенных для инактивации и выведения
чужеродных химических соединений (ксенобиотиков), иммунная система
«специализируется» на полимерах и более крупных частицах — вирусах,
микроорганизмах и т. д. Многие чужеродные полимеры при попадании
внутрь организма вызывают иммунный ответ, направленный на нейтрализацию и выведение антигенов. В особенности это относится к биополимерам и
полимерам, содержащим низкомолекулярные группы (гаптены), которые
иммунологически не активны сами по себе, но приобретают способность
индуцировать выработку антител при связывании с полимером-носителам, в
первую очередь с белком. Если в качестве гаптенов использовать молекулы
низкомолекулярных ФАВ, то образующиеся модифицированные ФАВ белки
называются конъюгированными антигенами (КА). Они способны
индуцировать выработку антител, специфичных к ФАВ, при введении в
организм животных, в то время как введение самих ФАВ иммунного ответа
не вызывает.
Общий метод синтеза КА заключается в ковалентном присоединении
гаптена к полимеру-носителю. В качестве носителя обычно используют
белки. Возможно также применение полиаминокислот и полисахаридов,
антигенных самих по себе, и других полимеров. Процесс синтеза КА
представляет собой ковалентную модификацию белка низкомолекулярным
реагентом. Основной принцип получения КА состоит в том, чтобы связать
гаптен с белком так, чтобы та часть молекулы гаптена, которая должна
служить антигенной детерминантой, осталась свободной. В зависимости от
точки связывания гаптена с носителем можно получить антитела,
специфичные к той или иной части его молекулы, а также набор
специфических антител. Наличие «вставки» между гаптеном и белком увеличивает доступность гаптена для распознавания и повышает специфичность
вырабатываемых антител.
Лекция 5 - Растворимые полимер - белковые соединения и сшитые
белки
Содержание:
1. Синтез и свойства полимер-белковых коньюгатов и сшитых белков.
2. Коньюгаты белков с полифункциональными полимерами-носителями.
3. Полимер-белковые соединения других типов.
1. Существует несколько стратегических подходов к синтезу
водорастворимых полимерных производных белков (рис. 1). Первый подход
заключается в ковалентном связывании белка с водорастворимым
функциональным полимером. По замыслу эта стратегия аналогична той,
которой придерживаются при иммобилизации белков на нерастворимых
носителях, однако переход к растворимым конъюгатам и необходимость
последующего их введения в организм вызывает дополнительные проблемы.
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 18 из 40
Рис.1
В то же время рассматриваемый подход относительно прост химически и
при удачном использовании обеспечивает реализацию полезных свойств
полимер-белковых конъюгатов, перечисленных выше.
Для связывания с белком водорастворимый полимер должен иметь
группы, способные взаимодействовать с функциональными группами белка в
условиях, не вызывающих денатурацию последнего. В подавляющем
большинстве случаев это реакции в водных растворах при рН = 6—8, реже
3—10. Химические методы при этом в основном те же, что применяются при
иммобилизации ферментов, а также для связывания с полимером
низкомолекулярных ФАВ. В белке для взаимодействия с полимеромносителем используют главным образом аминогруппы. Первый вариант
благоприятен для стабилизации белка в результате закрепления
конформации, но, как указывалось, иногда приводит к значительному
изменению физиологической активности. Второй вариант обычно позволяет
в большей мере сохранить активность, но в меньшей — сопровождается
стабилизацией. Полимер-носитель должен быть гидрофилен, чтобы избежать
гидрофобных взаимодействий с белком, и содержать функциональные
группы, которые могут непосредственно или после активации реагировать с
белком. Связывание белка с полимером протекает по следующей схеме:
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 19 из 40
Второй подход к синтезу растворимых полимер-белковых конъюгатов
также заключается в связывании белка с полимером, но не по боковым
функциональным группам, а по одной из концевых. В качестве полимера
используют активированные производные моноэфиров полиэтиленгликоля.
Третий подход к синтезу полимер-белковых конъюгатов заключается в
превращении белка в макромономер в результате введения в него двойных
связей, обычно по аминогруппам. Макромономер сополимеризуют с
низкомолекулярным гидрофильным мономером, формируя таким образом
оболочку полимера-носителя вокруг белковой глобулы.
Четвертый подход к синтезу полимер-белковых конъюгатов также
заключается в формировании полимера-носителя вокруг белковой глобулы,
однако последняя служит не макромономером, а макроинициатором
полимеризации N-карбоксиангидри-дов а-аминокислот.
Полимеризация виниловых мономеров под действием радикального
инициатора, ковалентно связанного с белком, представляет собой следующий
(пятый) подход к синтезу полимер-белковых конъюгатов. В этом случае
можно регулировать число и локализацию точек роста цепей.
Полимер-белковые конъюгаты можно получать и на основе
нестехиометрических полиэлектролитных комплексов, содержащих белок. В
отличие от стехиометрических поликомплексов нестехиометрические
растворимы в воде. Это — шестой подход к синтезу полимер-белковых
конъюгатов.
2. Трипсин и химотрипсин, связанные с поливинилпирролидоном с М=10
тыс. были получены по следующей схеме:
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 20 из 40
Свойства растворимых конъюгатов ферментов с полиэлектролитами
зависят от свойств полимера-носителя и самого фермента. Это связано с
формированием микроокружения белковой глобулы, отличающегося от
окружающей среды. Поэтому удачный выбор полиэлектролита позволяет
получать стабильные конъюгаты с измененным рН-оптимумом.
Аминогруппы трипсина и α-химотрипсина образуют электростатические
солевые связи с карбоксильными группами носителя в результате
кооперативной реакции. Число связей зависит от плотности заряда на полианионе и определяет сдвиг рН-оптимума и каталитической константы
фермента в реакции гидролиза низкомолекулярного субстрата. Образование
солевых связей дестабилизирует белок по отношению к тепловой
денатурации. С ростом числа связей лабильность белка увеличивается, а его
конформация все более отличается от нативной.
Свойства ферментов, связанных с полианионными носителями, зависят от
характера носителя и условий получения конъюгата. Белковые конъюгаты на
основе синтетических полимеров имеют общий недостаток; пути их
метаболизма не ясны, в особенности в отношении входящего в их состав
синтетического полимера.
Стабилизация белков в полисахаридных конъюгатах вызывается
несколькими факторами. Один из них заключается в сшивании белка, другой
был выявлен на примере фиколла-70. О-Метилирование полимера-носителя,
т. е. повышение его гидрофобности, приводило к дестабилизации белка в
конъюгате, полученном бромциановым методом, по отношению к тепловой
денатурации. В то же время конъюгаты с самим фиколлом или О-ацетилфиколлом были стабильнее, чем исходный фермент. При этом все три
конъюгата сохраняли примерно в одинаковой мере ферментативную
активность. Наконец, третий стабилизирующий фактор связан с затруднением агрегации белковых глобул перед выпадением в осадок в
результате наличия гидрофильной полимерной оболочки. Гидратация белка,
вероятно, не менее существенна для стабилизации.
3. Понятие «искусственные антигены» обычно связывают с двумя типами
макромолекул. К первому относятся белки или природные полисахариды,
модифицированные определенными химическими группировками —
гаптенами, ко второму — синтетические макромолекулы, которые полностью
идентичны природным. Коллектив взаимодействующих в иммунном ответе
клеток состоит из трех главных классов: В-лимфоцитов, Т-лимфоцитов и
макрофагов. Синтез антител осуществляется В-лимфоцитами, Т-клетки —
хелперы — помогают В-клеткам синтезировать антитела к Т-зависимым
антигенам. Антигены, вызывающие синтез антител при непременном участии
Т-лимфоцитов, называют тимусзависимыми или Т-зависимыми. В
большинстве случаев кооперация Т- и В-клеток является необходимым
условием иммунного ответа. Генетический контроль силы иммунного ответа
осуществляется через посредство Т-клеток. Клетки третьего типа —
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 21 из 40
макрофаги или А-клетки, кооперирующиеся с Т- и В-лимфоцитами. Макрофаги захватывают антигены, попавшие в организм, в результате чего на
поверхности макрофага образуется своеобразная «обойма» антигенных
молекул, ориентированных своими детерминантными участками наружу. Эту
«обойму» макрофаг предоставляет соответствующему В-лимфоциту,
поверхностные белковые рецепторы которого связываются с антигенными
детерминантами. Таким путем В-лимфоцит получает первый специфический
сигнал, который необходим ему, чтобы начать размножаться и
продуцировать антитела. Второй сигнал-—неспецифический — может
исходить от Т-лимфоцита, активированного другим антигеном или
митогеном.
Ни один из перечисленных неприродных полиэлектролитов сам по себе не
является антигеном. Механизм действия полимерных адъювантов не связан
прямым образом с тонкими особенностями строения звеньев. В основе
иммуностимулирующей активности полимерных адъювантов должны лежать
некоторые общие механизмы, обусловленные в первую очередь их
макромолекулярной природой. Одно из таких свойств макромолекул—
способность к многоточечному кооперативному взаимодействию с другими
химически
комплементарными
макромолекулами
с
образованием
устойчивых интерполимерных комплексов или к прочной многоточечной
кооперативной адсорбции на химически комплементарных поверхностях.
Исследованы строение и свойства некоторых водорастворимых
кооперативных комплексов синтетических линейных полиэлектролитов с
глобулярными белками, в частности с белками сыворотки крови. В роли
кооперативного партнера по отношению к линейному полимеру выступают
функциональные группы на поверхности белковой глобулы. Образование
комплексов белков с линейными полиэлектролитами фактически состоит в
«прилипании» более или менее протяженных участков полимерных цепей к
поверхности белковых глобул. В зависимости от степени полимеризации при
прочих равных условиях одна макромолекула может «приклеиваться» либо к
одной, либо к нескольким глобулам. Необходимо подчеркнуть, что в
комплексах сохраняются достаточно длинные участки линейной цепи в виде
петель или свободных концов, которые обеспечивают потенциальную
возможность дополнительного многоточечного связывания с другими
молекулами или частицами.
Лекция 6 - Физиологически активные полимерные микрочастицы
Содержание:
1. Микрочастицы, растворяющиеся в организме.
2. Циркулирующие микрочастицы.
3. Полимерные липосомы.
1. Некоторые нерастворимые гетероцепные полимерные носители, к которым
присоединены ФАВ, относительно быстро распадаются в мягких условиях с
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 22 из 40
образованием водорастворимых фрагментов. Так, химотрипсин или
гемоглобин, присоединенные к Сефадексу, окисленному периодатом, можно
перевести в растворимые конъюгаты обработкой аминами (рН = 9) или
декстраназой (рис.1).
Рис.1 Деструкция микрочастиц диальдегидсефадекса, содержащего ковалентно
связанный фермент, в организме: А – набухшая микрочастица до распада; Б – остаток
микрочастицы в ходе распада; В – образовавшиеся в результате деструкции растворимые
полимер-ферментные конъюгаты; 1 – полисахаридные цепи, 2 – молекулы фрагмента
Аналогичные
результаты
получены
с
иммобилизованной
на
биодеградирующих МЧ стрептокиназой. Время растворения для одного из
образцов составило 48 ч, из которых в течение 32 ч в раствор выделялся
конъюгированный фермент. Выделение происходило с понижающейся
скоростью за счет неравномерного распределения фермента в МЧ.
Химотрипсин был также иммобилизован включением в слабо сшитый гель
поливинилпирролидона. Проницаемость геля для фермента регулировалась
количеством сшивающего агента так, что скорость выхода фермента в
раствор можно было менять от 100 до 64 % за 50 ч. С увеличением степени
сшивания возрастает также время полного растворения геля — от 2—3 сут до
отсутствия полного растворения, причем фермент высвобождался
значительно раньше. Ферментативные свойства химотрипсина при
иммобилизации и солюбилизации претерпели изменения, аналогичные
описанным выше для диальдегидсе-фадекс-фермента.
При внутрикоронарном введении суспензии МЧ, содержащих
фибринолизин, происходит полное разрушение тромбов и восстановление
кровотока. Количество нативного фибринолизина, необходимое для
осуществления такого же эффекта, в 100 раз больше. Кроме того, в случае
МЧ достаточно однократного их введения.
Аналогично ферментам в МЧ из окисленного Сефадекса был включен
инсулин. После присоединения инсулина и восстановления альдиминовых
связей боргидридом в раствор выделялись водорастворимые конъюгаты с
М — 10, 50 и 150 тыс. (62, 40 и 30 мг белка на 1 г носителя в зависимости от
степени окисления исходного Сефадекса), которые не высвобождали
инсулин. В экспериментах на животных было показано, что все три
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 23 из 40
конъюгата сохранили физиологическую активность исходного инсулина, а
время проявления активности увеличилось с 5—6 ч до 14—16 ч.
Таким образом, биосовместимые и биодеградирующие МЧ, содержащие
ФАВ, представляют собой удобную лекарственную форму для латентации и
постепенного высвобождения действующего начала.
2. Другой вид МЧ — это носители ФАВ, не переходящие в растворимое
состояние перед поступлением в циркуляцию. Циркулирующие корпускулы
эндоцитируются клетками, либо сорбируются на их поверхности, либо
попадают в межклеточное пространство. Это частицы размером 0,1—1 мкм и
более, причем сферическая форма существенна для улучшения реологических свойств их суспензии в плазме. Важную роль играет также
распределение частиц по размерам, которое должно быть узким. В качестве
материала для МЧ используют сшитый до нерастворимого состояния
альбумин, а также полученные эмульсионной полимеризацией микросферы
синтетических полимеров— гидрофобных (полистирол) или гидрофильных
(поли-гидроксиэтилметакрилат и другие акрилаты).
МЧ должны содержать на своей поверхности или по всей массе
реакционноспособные группы, пригодные для ковалентного присоединения
или сорбции ФАВ и в ряде случаев «узнающих» цель молекулы. Процесс
связывания не должен приводить к изменению формы и размеров частиц,
если он проводится с готовыми микросферами. Можно также физически
включать ФАВ в массу МЧ в ходе их получения. Если при этом полимер
образует только оболочку, внутри которой заключен раствор ФАВ, то такие
частицы называются микрокапсулами, которые здесь не рассматриваются.
Важнейшие требования к МЧ, содержащим ФАВ:
 целевой транспорт в место действия (орган-мишень);
 высвобождение ФАВ с достаточной скоростью в месте действия и
отсутствие этого процесса в ходе транспортировки кровотоком;
 достаточная стабильность — МЧ не должны агрегировать при хранении и
введении в контакт с кровью;
 возможность стерилизации перед внутривенным введением;
 материал МЧ должен быть нетоксичен и способен к выведению из
организма в результате биодеструкции.
Проблема биодеструкции МЧ имеет несколько аспектов. МЧ должны быть
устойчивы, в частности не выделять ФАВ при хранении и в ходе циркуляции
в кровотоке, если они специально для этого не предназначены. Попадая в
клетку, МЧ должны постепенно деструкторовать. Оптимальная скорость
деструкции зависит от ряда факторов. Если ФАВ механически включено в
массу МЧ, то скорость деструкции определяет скорость подачи ФАВ. Для
ФАВ, сорбированных на поверхности МЧ, скорость его высвобождения
намного выше скорости деструкции, и такие МЧ обычно выделяют ФАВ в
ходе циркуляции. ФАВ, химически связанные с МЧ, могут отщепляться в
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 24 из 40
клетке или кровотоке в ходе деструкции МЧ, хотя отщепление ФАВ может
опережать деструкцию.
Наилучшие перспективы магнитные МЧ имеют в терапии твердых
опухолей. Сосредоточение магнитных МЧ в капиллярах имеет два важных
преимущества: во-первых, максимальная диффузия ФАВ наблюдается
именно в капиллярах и венулах и, во-вторых, облегчается переход МЧ в
межклеточное пространство. В результате происходит насыщение
выделяющимся ФАВ межклеточного пространства опухоли.
3. Липосомы — моно- или полиламелярные фосфолипидные полые
корпускулы микроразмеров. Каждая из составляющих их ламелей представляет собой замкнутую мембранную бислойную структуру, в которой
фосфолипидные молекулы обращены полярными концами наружу, в водную
фазу, а гидрофобными, неполярными концами,—внутрь, навстречу друг
другу. Минимальный размер липосом составляет около 0,025 мкм в диаметре
(для моноламе-дярных липосом), максимальный — до нескольких
микрометров (для мультиламелярных липосом). Помимо фосфолипидов в состав липосом входят обычно холестерин и заряженные амфи-фильные
соединения, влияющие на стабильность липосом. Внутрь липосом
различными методами могут быть включены самые разнообразные ФАВ.
В отличие от МЧ липосомы не имеют полимерной ковалентной структуры.
Они подобны сшитым полимерным агрегатам, если рассматривать
гидрофобные контакты между неполярными «хвостами» липидов внутри
бислоя как аналоги ковалентных связей. Такие контакты менее прочны, чем
ковалентные связи, из чего вытекают два важных следствия. Во-первых, они
нарушаются при контакте с клеточной мембраной, в которой тоже нет
ковалентных связей между компонентами, приводя к слиянию липосомы с
клеткой. В результате содержимое липосомы попадает в клетку. Этот
принцип положен в основу использования липосом в качестве транспортной
формы для ФАВ. Во-вторых, небольшая прочность липосом, в частности
межлипидных контактов, обусловливает постепенный выход из них
содержимого как при хранении, так и в ходе циркуляции в кровяном русле.
Потребность в более прочных липосомах возникла также в ходе
реализации одной из новейших идей в химиотерапии опухолей. Вместо того
чтобы доставлять в опухолевую клетку цитотоксичные ФАВ, «убивающие»
клетку изнутри, можно дестабилизировать мембрану такой клетки, т. е.
«убить» ее снаружи. Для этого необходимы корпускулы, так как процесс
протекает на клеточном уровне. Обычные липосомы могут сливаться с
клеткой, но при этом гибнет липосома. Для уничтожения же опухолевой
клетки необходимо, чтобы возможность слияния сохранялась, но разрушению подвергалась клетка, т. е. мембрана липосомы должна быть прочнее,
чем клеточная мембрана. Проблема целеузнавания будет решаться при этом
так же, как и для обычных липосом, действующих на молекулярном уровне,
т. е. иммунологическими методами.
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 25 из 40
Упрочнение стенок липосомы может быть реализовано двумя путями.
Первый из них заключается в создании ковалентных связей между
фосфолипидами, находящимися в ориентированном состоянии, в виде
бислоя, путем полимеризации. Второй путь состоит в покрытии липосом
полимерной «сеткой». Взаимодействие между фосфолипидами и
покрывающим полимером может иметь как
ковалентный, так и
электростатический характер. В последнем случае должен образоваться
псевдополиэлектролитный комплекс между покрывающим полимером и
«псевдополимером» — ориентированными фосфолипидами липосомы. Такой
комплекс может быть дополнительно стабилизирован липофильными
«хвостами», специально вводимыми во взаимодействующий с липосомой
полимер.
Лекция 7 - Принципы взаимодействия полимеров с органами и тканями
Содержание:
1. Биосовместимость.
2. Реакция организма на биоматериал.
3. Иммунная реакция и системная токсичность.
1. Главным критерием выбора полимерного материала является его
биосовместимость. Это достаточная инертность материала к окружающим
тканям, которая не вызывает острый или хронический воспалительный ответ,
а также не препятствует пролиферации или дифференциации близлежащих к
полимеру клеток и тканей. Большинство биоматериалов выполняет двоякую
функцию, с одной стороны являясь инертным к одним, но с другой стороны
активным к иным физиологическим процессам.
Большинство имплантируемых полимерных материалов имеют
продолжительный срок службы в организме и способствуют улучшению
здоровья пациента, а иногда и его выживаемости. Все биоматериалы
взаимодействуют с тканью или плазмой крови на всем протяжении действия
имплантата по разному, в зависимости от степени разпознавания
поверхности полимера клетками и макрофагами как чужеродного
образования. Поскольку взаимодействие между имплантатом и организмом
носит обоюдный характер то их можно разделить на две группы: воздействие
биоматериала на «хозяина» и влияние «хозяина» на биоматериал (таблица 1).
Таблица 1. Взаимодействие биоматериал - организм
Действие имплантата на
Действие организма на
организм
имплантат
1. Местное действие
1. Физико-механическое
действие
- адсорбция белков и
- истирание и износ
протеинов
- тромбоз и коагуляция
- усталостность
крови
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 26 из 40
- токсичность
- стрессовое растрескивание
- капсуляция
- коррозия
- реакция на инородное тело - растворение и
биодеградация
2. Системное действие
2. Биологическое действие
- эмболизация материала
- сорбция протеинов клеток
- сверхчувствительность
- ферментативное
разрушение
- иммунный ответ
- кальцификация
- гемопоэз
- фиброзис
- лимфатические воспаления
2. Введение инородного тела в организм представляет собой череду
действий, связанных с нанесением пациенту хирургической травмы и
последующее ее заживление. Любая подобная последовательность операций
вызывает в первую очередь болезненные симптомы у пациента, связанные с
хирургическим вмешательством и постоперационными явлениями,
происходящими в организме. Даже самый биосовместимый имплантат
вызывает первичное воспаление с последующей грануляцией ткани у места
повреждения и вокруг имплантируемого материала. В зависимости от
скорости грануляции имплантация вызывает фиброзис и иммунную реакцию
на инородное тело (рис. 1).
Время
Рис. 1 Хронологическая последовательность процесса реакции организма
на полимерный имплантат, сопряженного с процессами кровотечения (а), реакции
макрофагов (б), неоваскуляризации (в), гигантскими клетками инородного тела (г),
фибробластов (д), фиброзиса (е) и мононуклеарных лейкоцитов (ж).
Через 2-5 суток после имплантации биоматериала, моноциты и макрофаги
инициируют восстановление травмированной ткани. Фибробласты и
васкулярно-эндотелиальные клетки после адгезии на поверхности
имплантата пролиферируют и начинают образовывать гранулированную
ткань вокруг биоматериала. Заключительной стадией заживления является
фиброзис или фиброзная капсуляция. Восстановление места имплантации
включает два различных процесса: либо замену поврежденной ткани
паренхемальными клетками того же типа, либо замену соединительной
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 27 из 40
тканью, которая и формируют фиброзную капсулу. При высоком
восстановительном потенциале клеток и незначительных повреждениях
фиброзис может не происходить.
Таким образом, при имплантации материала, несмотря на невозможность
или ограниченность контроля последовательности регенерационных
явлений, правильным выбором материала, прогнозируемым воспалительным
ответом, адекватной вариацией стимулирующих факторов, можно
восстанавливать
повреждения
при
последующем
правильном
функционировании имплантируемого биоматериала.
3. Главной функцией иммунитета является защита организма от любых
инородных патогенных объектов окружающих его. Функционально, это
сложнейший механизм, который можно разделить на два уровня: клеточный
и гуморальный. Первичными компонентами клеточной иммунной системы
являются гигантские клетки инородного тела и макрофаги, будучи
первичным постом защиты организма от посторонних тел. Реакция данных
клеток, именуемая реакцией на инородное тело, формируется в начале
образования грануляционной ткани как ответ на введение инородного
объекта. В связи с несоразмерностью клеток и макрообъекта интенсивность
такой реакции зависит в первую очередь от формы, топографии и качества
поверхности имплантируемого материала.
Другим топографическим параметром, влияющим на первичную реакцию
является соотношение между поверхностью имплантата и его объемом.
Реакция на инородное тело является ключевым звеном регенерации ткани
и ранозаживления, инициирующей образование грануляционной ткани и
фибриллярной оболочки. Манипулируя формой, размерами, пористостью и
поверхностной шероховатостью образца можно контролировать силу
реакции
макрофагов
на
имплантат
и
скорость
заживления
постимплантационной раны.
Иммунный ответ на имплантацию биоматериала связывают с реакцией
гуморальной иммунной системы и с усилением комплемента. Комплемент
включает более чем 20 различных протеинов плазмы крови, служащих для
неспецифического разпознавания и элиминации инородных тел из организма.
Нейтрализация инородного тела осуществляется изолированием поверхности
материала протеинами комплементной системы и фагоцитоз с помощью
гранулоцитов. Таким образом, основная функция комплемента связана с
локализацией воспалительной реакции непосредственно вокруг инородного
тела. Вместе с тем, задача имплантации сводится к избежанию резкого и
каскадного иммунного ответа на вводимый биоматериал.
Другой группой протеинов, участвующих в иммунной реакции, являются
цитокины, специфически активные в пикомолярных концентрациях за счет
специфических реакций с клеточными рецепторами. Главная функция
цитокинов сводится к участию в воспроизводстве иммунных клеток,
регулировании иммунного ответа и роли посредника в воспалительных
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 28 из 40
процессах. Ряд цитокинов участвует в процессе гематопоэза, т.е. в создании
дифференциированных клеток крови из примитивных стволовых клеток
костного мозга.
Лекция 8 - Имплантанты на основе полимерных биоматериалов
Содержание:
1. Особенности полимерных имплантантов
2. Имплантанты в сердечно-сосудистой хирургии.
3. Полимерные имплантаты в травматологии и хирургии.
1. Наиболее важное значение имеет использование полимерных
биоматериалов в качестве имплантатов. Под термином «имплантат»
понимают некий предмет или изделие, изготовленное из небиологического
материала, который вводят в организм для выполнения каких-либо функций
в течение длительного времени. Основными требованиями, предъявляемым к
имплантатам, являются биосовместимость и функциональность. Под
биосовместимостью понимают сродство синтетического полимерного
материала к биологическим тканям, процесс «взаимного привыкания» между
искусственной и естественной субстанциями. Имплантаты должны обладать
высокой биосовместимостью, т.е. высоким сродством к окружающим тканям
организма с целью их благоприятного взаимного сосуществования.
Полимерный имплантат считается биосовместимым, если он соответствует
следующим критериям: не вызывает раздражения или воспаления тканей,
коагуляции и гемолиза крови, разложения белков и ферментов, не обладает
токсическим, канцерогенным, аллергенным, антигенным и тератогенным
действиями, не оказывает воздействия на функционирование эндокринной
системы организма и процессы метаболизма. Кроме того, он должен
сохранять комплекс необходимых свойств в период всего срока пребывания в
организме, который может составлять от нескольких часов до нескольких
лет.
Самым важным аспектом применения имплантатов в медицине является
их функциональная направленность. Наибольшее распространение
имплантаты нашли в сердечно-сосудистой хирургии, ортопедии и
травматологии, реконструктивной и пластической хирургии. Важным
моментом успешного функционирования имплантатов является их
характеристики, являющиеся основными свойствами используемых
синтетических полимерных биоматериалов. Известно, что каждый материал
имеет три характеристики: механическую, физическую и химическую.
Механическая прочность и стабильность представляет особую важность для
создания имплантатов суставов, костей, скелета в ортопедии и
травматологии; электрические свойства необходимы для создания сердечных
кардиостимуляторов и пейсмекеров; прозрачность различных полимеров
важна при создании глазных имплантатов. Химические свойства и структура
биоматериала, из которого сделан имплантат, являются основными
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 29 из 40
параметрами, обеспечивающими приспособляемость имплантата к
окружающим тканям или жидкостям организма. Только совокупность
оптимальных механических, физических и химических характеристик
исходных биоматериалов позволяет обеспечить стабильное выполнение всех
функции имплантата в течение длительного времени.
2. Широкое применение полимерные материалы нашли в качестве
кровеносных
сосудов,
успешно
используются
различные
виды
искусственных клапанов сердца, разработаны эффективные водители ритма
сердца и внутриаортальные баллонные насосы, созданы более совершенные
модели
имплантируемого
искусственного
сердца.
Искусственные
кровеносные сосуды должны: 1) обладать высокой тромборезистентностью и
минимальной местной реакцией тканей живого организма без какого-либо
вредного воздействия на него; 2) иметь необходимую проницаемость
(порозность) для живых тканей, способствующей «вживлению» протеза; 3)
иметь шероховатые стенки, обеспечивающие наиболее выгодные условия для
кровотока; 4) обладать стойкостью к инфекции и различным микробным
воздействиям; 5) иметь необходимый комплекс физико-механических
свойств. Перспективными полимерами для изготовления кровеносных
сосудов являются эластомерные полиуретаны. Трубки, получаемые намоткой
полиуретановых
волокон
обладают
необходимой
прочностью,
эластичностью и пористостью. Протезы кровеносных сосудов изготовляют
из волокнистых материалов в виде плетеных, вязаных или тканых трубочек,
которые обязательно подвергают гофрировке, предохраняющих их от сжатия
и крутых изгибов. Поскольку сосудистые имплантаты по физиологическим
условиям подвергаются большим механическим нагрузкам и многократным
деформациям, волокна должны обладать достаточной прочностью и высоким
модулем эластичности, а также иметь небольшую толщину, чтобы
обеспечивать создание тонкой стенки искусственного сосуда, и гладкую
поверхность, предотвращающую тромбообразование и гемолиз.
3. Для их изготовления используют полимерные биоматериалы, которые
должны обладать высокой биосовместимостью и биомеханическими
свойствами, необходимой прочностью и гибкостью, легко поддаваться
обработке, прочно удерживаться в организме и во многих случаях длительно
работать в сочетании с другими полимерами и металлами в достаточно
сложных конструкциях.
В настоящее время разработаны полимерные имплантаты, позволяющие
частично или полностью заменять кости и фаланги пальцев, фрагменты
кисти и запястья, плечевые и локтевые суставы.
Главными требованиями для восстановления нарушенной и утраченной
двигательной функции суставов являются стабильность и высокая
подвижность. Основным проблемами разработки материала для протезов
кисти являются обеспечение необходимого сочетания твердости и прочности
с высокой эластичностью, а также надежной фиксации протезов к кости.
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 30 из 40
Протезы должны: 1) обеспечить полный объем физиологически
меобходимых движений, т.е. сгибание, разгибание, вращение и др. под
илиянием сил, действующих на бедро, с минимальной затратой энергии; 2)
стабильно функционировать в организме в течение не менее 20 лет без
заметных признаков изменения физико- механических свойств; 3) иметь
возможность легко заменить любую деталь при возникновении износа, не
нарушая функционирования органа. Для обеспечения этих требований
материал для изготовления протеза должен иметь: 1) низкий коэффициент
трения; 2) малую степень износа; 3) высокую надежность крепления к костям
скелета; 4) достаточную прочность.
Лекция 9 - Применение биоматериалов в восстановительной медицине
Содержание:
1. Трансдермальные биоматериалы и дренажи.
2. Биоматериалы в офтальмологии и стоматологии.
1. В качестве материалов для получения покрытий широко используются
различные синтетические и природные полимеры. К таким биоматериалам в
связи с их функциональной направленностью предъявляется ряд требований
медико - биологического и технологического характера (способность
абсорбировать раневой эскудат, возможность безболезненного удаления
покрытия, защита ран от проникновения внешней инфекции и внешнего
механического воздействия, наличие лечебных свойств, высокая
аэропроницаемость и легкость стерилизации). На смену марлевых повязок
приходят графты на основе различных полимерных биоматериалов, таких
как целлюлоза и ее производные, поливиниловый спирт, силикон,
полиэтилен, декстран, альгинаты, коллаген, сегментированные полиуретаны
и др.
Среди синтетических полимеров, используемых в покрытиях на раны и
ожоги, заметное место занимают сегментированные пенополиуретаны.
Пористая структура материала позволяет «дышать» поврежденной
поверхности и испаряться эскудату, в то же время длинные, узкие,
извилистые поры уменьшают возможность проникновения инфекции.
Пенополиуретан имеет высокую сорбирующую способность, хорошую
проницаемость по кислороду, эластичность, нетравмирующую мягкость и
удобство при стерилизации любым из доступных способов. Поглотительную
способность полиуретанового покрытия можно регулировать изменением
пористости полимера, а также введением поверхностно-активных веществ.
Физиологически, коллаген является превосходным материалом так как
способен связываться с фибрином, сращиваясь с натуральным
компонентами, которые выделяются фибробластами. Кроме того,
механические свойства могут подбираться путем регулирования степени
сшивки, и напротив его деградация осуществляется натуральным ферментом,
вырабатываемым организмом - коллагеназой.
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 31 из 40
2. Перспективным материалом для офтальмохирургии является
полиуретан, обладающий высокой биосовместимостью и хорошими физикомеханическими свойствами. Материалы на основе полиуретанов уже нашли
широкое применение в офтальмологии для протезирования роговой
оболочки, формирования культи после энуклеации глаза, хирургической
коррекции и т.п. Для лечения глаукомы в далекозашедшей стадии
полиуретановые имплантаты получали в виде монолитных пленок,
содержащих в своей структуре офтальмологические препараты,
стимулирующие зрительные функции, такие как тауфон, энкад, эмоксипин и
трентал.
В настоящее время усовершенствована методика внутристромальной
имплантации искусственного гидрогеля для создания оптической роговицы,
корректирующей зрительную дисфункцию. Такие внтуристромальные линзы
или кольца изготавливают из полиметилметакрилата, полисульфона и
силиконовой резины. Некоторые гидрогели, например на основе сополимера
ГЭМА или пенополиуретана используются для скрепления отслоенной
сетчатки глаза.
Другим приложением биоматериалов является стоматология.
Наиболее интенсивно используемым материалом в качестве
искусственной экстраклеточной матрицы является полигликолевая и
полимолочная кислота или их сополимеры. Главным аргументом их
активного применения в тканевой инженерии и в качестве биосовместимых
материалов служит их высокая доступность в коммерческом масштабе с
высоким уровнем медицинской чистоты и качества. Немаловажным
обстоятельством является технологическая или процедурная легкость
получения материалов на их основе приемлемой формы и подходящей
степени пористости. Как правило, материал используют в виде пористой
губки или волокнистой текстуры, что создает контактную поверхность
высокой степени для удобства адгезии клеток и доступности для диффузии
питательных веществ и удаления продуктов метаболизма.
Лекция 10 - Полимерные хемоэлектромеханические преобразователи
энергии
Содержание:
1. Преобразователи на основе стимул-чувствительных полимеров.
Гидрогелевые микрожидкостные регуляторы.
2. Искусственные мускулы на основе диэлектрических эластомеров и
пластиков.
3. Преобразователи на основе полиэлектролитных гидрогелей.
1. Хемоэлектромеханические системы могут быть созданы на основе
полимеров, которые можно условно разделить на несколько типов.
1. Стимул чувствительные гидрогели.
2. Электроактивируемые полимеры:
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 32 из 40
а) Диэлектрические эластомеры и пластики;
б) Электропроводящие полимеры;
в) Полиэлектролитные гидрогели.
Полимерные гели это - пространственно сшитые цепные молекулы,
набухшие в растворителе, причем содержание последнего может быть очень
велико - более 99,8%. Таким образом, гели способны к сильному набуханию.
Набухшие гели способны претерпевать резкое уменьшение объема, так
называемый коллапс, в ответ на небольшие изменения внешних условий:
температуры, рН, ионной силы, природы растворителя, освещенности,
давления, электрического и магнитного полей.
Природа химических мускулов основана на анизотропии свойств
макромолекул, обусловленной их цепным строением. Полимерные гели
могут также претерпевать коллапс при комплексообразовании с
высокомолекулярными соединениями и низкомолекулярными веществами.
Так наблюдается заметная контракция гидрогелей при взаимодействии с
линейными макромолекулами посредством кооперативных водородных
связей, либо электростатических контакгов.
Перспективным материалом для молекулярных машин являются
пористые гидрогели со структурой швейцарского сыра, характеризующийся
быстрой кинетикой обратимого процесса набухания-контракции.
Важной проблемой медицины (фармацевтики) является создание
автономных инфузионных микросистем. Одним из материалов для их
получения являются стимулчувствительные полимеры. Полимеризацию
проводят в микрокапсулах методом фотополимеризации. Существенным
компонентом в системах контроля течения являются краны, конструкции
которых различной геометрии были разработаны.
Одним из примеров контроля потока с использованием гидрогелей
являются «умные каналы», выстланные рН чувствительным гидрогелем
(активатор) на основе сополимера гидроксиэтилметакрилата и акриловой
кислоты. Полимер может быть в виде полосок или столбиков. Когда кислый
раствор течет через канал, гидрогель сжимается, а если течет щелочной
раствор, то гель расширяется и запирает канал. Недостатком конструкции
является большое время открытия канала при химической стимуляции из-за
медленной диффузии от одного конца закрытого канала до другого.
Перспективным является их использование в микрожидкостных
устройствах электростимулирования. Сочетая гидрогелевый активатор с
простой электронной схемой, удается скомбинировать преимущества обоих
подходов, таких как легкость создания изделия с точным контролем системы.
Используемый вольтаж может быть низким (5-12в). В настоящее время
ограничения состоят в асимметрии набухания и образований пузырьков на
электродах. Однако разработка усовершенствованных материалов для
электродов и дизайн должны снизить влияние этих ограничений. Изменение
объема в течение секунд контролируется вариацией амплитуды циклов.
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 33 из 40
2. В последние годы наряду с полимерными гидрогелями в качестве
искусственных мускулов используются электрострикционные эластомеры и
пластики. Углеводородные цепные молекулы образуют в них
полукристаллические
структуры, обладающие электрическими
свойствами. Они приводятся в действие электрическим полем высокого
напряжения, отличаются быстродействием и значительными механическими
усилиями. Линейные размеры электроактивных полимеров (ЭАП) могут
изменяться на десятки и даже сотни процентов.
Многие диэлектрические изолирующие пластики, как полиуретаны,
акриловые и силиконовые эластомеры, под действием высоковольтного
электрического поля сжимаются вдоль силовых линий поля и расширяются
перпендикулярно им. Это явление называется максвелловской деформацией.
Более мягкие силиконовые полимеры сильнее подвержены деформации под
действием электрического поля. Такие активируемые электрическим полем
полимерные материалы показывают значения относительной деформации
порядка 20-30%. Устройство искусственного мускула довольно просто и
может быть представлено следующим образом (рис.1)
электроды
2 - электрочувствительный гель
1-
Рис.1 Схема линейного искусственного мускула на основе диэлектрического эластомера
Это конденсатор из двух проводящих пластинок (электродов) с прокладкой
из изолирующего полимера с толщиной порядка 30-60 мкм. При приложении
высокого напряжения разноименно заряженные пластины электродов
притягиваются друг к другу и сжимают полимерный изолятор, который
вынужден растягиваться (расширяться). Электрод обычно представляет
собой тонкую пленку эластомера, ламинированную с двух сторон
проводящими углеродными частицами. Таким образом, электроды способны
расширяться вместе с изолирующим пластиком, причем действие
электрического поля распределяется равномерно по всей рабочей
поверхности.
Коэффициент деформации характеризует удельное растяжение на
единицу длины образца. Силовой характеристикой устройства является
отношение возникающего давления к плотности полимерного материала. На
основе таких слоистых эластомерных пленок могут быть созданы новые
приводы, сенсоры, электрогенераторы и роботы. По значениям достигаемой
деформации
и
усилиям
диэлектрические
пластики
близки
к
соответствующим показателям мышц животных. Лучшие образцы
электронных ЭАП на основе акриловых эластомеров достигают деформации
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 34 из 40
порядка 300 - 400%. Было установлено, что предварительное растяжение
полимеров значительно улучшает их характеристики и ведет к увеличению
коэффициента деформации и электрической прочности на пробой почти в
100 раз. Это связано с ориентацией полимерных цепей вдоль плоскости
растяжения, приводящей к возрастанию прочности пленки. Поэтому в
созданных приводах предусмотрена специальная внешняя обтяжка или
оболочка.
Рассмотрены свойства систем типа искусственных мускулов на основе
диэлектрических полимеров. Предложена математическая модель,
учитывающая усадку тонких пленок, осажденных на электродах, а также
электростатические взаимодействия в системе диэлектрический эластомерэлектроды. Проведен анализ динамических характеристик систем.
Экспериментально исследована связь механических усилий, возникающих в
таких системах с приложенным потенциалом.
3. В качестве материала для преобразователей используются
полиэлектролитные гидрогели, помещенные в электрическое поле. Если
поместить пластину из набухшего в воде гидрогеля полиметакриловой
кислоты между двумя электродами, то под воздействием электрического
поля происходит контракция геля с выделением растворителя. Скорость
контракции линейно зависит от количества проходящего тока. В случае
полианионного геля низкомолекулярные катионы движутся к катоду вместе с
водой, что ведет к обогащению водой участка геля около катода, в то время
как в анодном участке геля наблюдается её недостаток. Поэтому происходит
набухание геля вблизи катода и сжатие его у анода в случае отрицательно
заряженного гидрогеля, а для положительно заряженного геля наблюдается
обратная картина (Рис. 2).
Рис.2 Схема изгибания пластины анионного гидрогеля при ассоциации с молекулами
катионного ПАВ в электрическом поле
Создан также червеобразный мускул, действие которого основано на
злектрокинетической молекулярно-агрегативной реакции, где молекулы
ПАВ, двигающиеся к катоду образуют комплекс с отрицательно заряженным
гелем, вызывая анизотропное сжатие и сгибание пластины к аноду.
Осуществлено угреподобное биоимитационное движение для гелей
полиаминометилпиридиний сульфоната с ПАВ при помещении геля между
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 35 из 40
пятью парами электродов с попеременно меняющейся полярностью. При
включении электрического тока различные участки образца геля изгибались
в сторону соответствующего электрода, производя угреподобное движение.
Лекция 11 - Стимул-чувствительные устройства на основе полимеров и
принципы нанотехнологии и биомоделирования
Содержание:
1. Гидрофильные полимерные сетки в электрическом и магнитном полях.
2. Коллапс гидрогелей в магнитных полях: проблемы биомоделирования
1. Необходимость разработки новых подходов определяется огромной
разницей между нанотехнологиями и классическими схемами химического
синтеза. Нанотехнологи позволяют перевести в реалистическую плоскость
создание молекулярных компьютеров. Уже созданы лабораторные образцы
молекулярного диода, одноэлектронного молекулярного транзистора главных элементов электронных схем (напомним, что микросхемы также
базируются на этих элементах, отличие состоит в том, что на одном
кристалле сразу формируется большая электронная сборка).
Биомоделирование «заменяет» исследование реальных биологических
систем аналогами искуственного или смешанного происхождения, которые
способны выполнять отдельные функции, присущие исходному объекту, и
активно использует, например, достижения физической химии полимеров и
коллоидов.
Разработка теоретических представлений, позволяющих анализировать
влияние магнитного поля на полимерные системы высших размерностей,
представляет интерес не только для физической химии полимеров. Интерес к
таким разработкам связан также с общими проблемами интерпретации
воздействия магнитных и электромагнитных полей на живые клетки и
биомодельные объекты. Частью этой общей проблемы является установление
механизма воздействия вариаций геомагнитных полей на биосферу и
отдельных ее представителей.
Хорошо
известный
полиэлектролитный
эффект
может
быть
интерпретирован в терминах взаимодействий между макромолекулярными
клубками. А именно, уменьшение размеров полиэлектролитных клубков,
вызванное ростом концентрации полиэлектролита (полиэлектролитный
эффект) можно интерпретировать в терминах двойных электрических слоев,
развивающихся вблизи их поверхности. Когда расстояния между соседними
макромолекулами становятся малыми, двойные слои деформируются,
обуславливающие
растяжение
клубка,
амплитуда
напряженности
электрического поля в них падает, а сами клубки уменьшаются в размерах.
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 36 из 40
Рисунок 3. Отсутствие взаимодействия между клубками в сильно разбавленном растворе
полиэлектролита; R0 - радиус клубка, г0 - половина среднестатистического расстояния
между макромолекулами (радиус взаимодействия), Δ - толщина двойного электрического
слоя.
Это иллюстрирует рис. 3, на котором представлена схема взаимодействия
высокомолекулярных клубков в водном растворе. Пунктирными линиями
показаны двойные электрические слои, развивающиеся вблизи их
поверхности. Механизм формирования данных слоев одинаков для всех
полимерных систем высшей размерности и состоит, согласно, в следующем.
Низкомолекулярные ионы покидают объем полимерного объекта (кпубка,
сетки и т.д.) под воздействием теплового движения. При этом в объеме
объекта
остается
некомпенсированный
электрический
заряд
противоположного знака, образованный, как правило, совокупностью
зарядов функциональных групп полимера.
Остаточный заряд притягивает низкомолекулярные ионы и не позволяет
им отойти от поверхности клубка (или иной полимерной системы) на
значительное расстояние. В итоге формируется слой, амплитуда которого
определяется балансом между диффузионной (тепловой) и направленной
(электрической) составляющими потока.
2. Изучение воздействия магнитных полей на биомодельные системы
представляет значительный интерес, например, с точки зрения
интерпретации воздействия магнитного поля на организм человека или
другие биологические объекты. Интерес к этой задаче в последние годы
вновь привлекает повышенное внимание, в частности, в связи с
результатами, полученными в ходе экспериментов на борту космических
аппаратов.
Именно
поэтому коллапс
геля представляет интерес для
рассматриваемой проблемы, поскольку именно в этом процессе легче всего
практически реализовать движение сетки, то есть имитировать
биологические объекты, находящие в условия, удаленных от равновесия. В
результате для целей биомоделирования, в том числе, для интерпретации
результатов космических экспериментов, а также для интерпретации
воздействия геомагнитного поля на здоровье человека, актуальным является
изучение
поведения
гидрогелей
под
воздействием
комбинации
электрического и магнитного полей.
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 37 из 40
Экспериментальные исследования такой неравновесной системы были
впервые проведены сравнительно недавно. В частности, экспериментальные
данные, полученные с использованием гидрогелей, находящихся в состоянии
равновесия, показывают, что в этом случае заметный отклик может иметь
место только тогда, когда в исследуемый образец искусственно вводятся
магнитоактивные компоненты. Принципиально иная ситуация реализуется
когда отклонение системы от равновесия, вызванное внешним электрическим
током велико.
Таким образом, магнитное поле приводит к увеличению скорости
коллапса гидрогеля. Однако следует заметить, что этот эффект тем заметнее,
чем больше скорость, движения границы. Следовательно, рассматриваемый
эффект, в определенном смысле, имеет положительную обратную связь. Чем
выше скорость, тем сильнее проявляется воздействие магнитного поля,
которое в свою очередь снова приводит к увеличению скорости контракции.
2. Практические занятия
№
Практические занятия
1
Физиологическая
активность
биополимеров
(ферментов, гормонов, белков гепарина)
Свойства физиологически активных полимеров
(ФАП)
Стратегии синтеза ФАП
Полимерные производные ФАВ
Синтез полимерных производных белков
Особенности корпускулярных ФАП
Взаимодействие биоматериал – организм
Имплантанты в медицине
Полимерные
хемоэлектромеханические
преобразователи энергии
Принципы нанотехнологии и биомоделирования
Стимул-чувствительные полимеры
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Количество
часов
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
3. Самостоятельная работа магистрантов
1. Полимерные переносчики кислорода
2. Иммобилизация физиологически активных соединений на полимерных
материалах
3. Гемосовместимость физиологически активных соединений
4. Синтетические аналоги нуклеиновых кислот
5. Биодеструктируемость ФАП
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 38 из 40
6. Полимерные производные витаминов и коферментов
7. Комплексы синтетических полимеров с белками и конструирование
искусственных антигенов и вакцин.
8. Полимерные производные антибактериальных веществ
9. Молекулярно-сшитые белки
10. Оценка биосовместимости полимеров
11. Тканевая инженерия
12. Преобразователи энергии на основе электропроводящих полимеров
13. Особенности применения полимерных материалов в медицине
14. Полимеры медико-технического назначения
15. Полимеры направленного биологического действия
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 39 из 40
УМКД 042-14.01.06.01.20.129/03-2010
от
Редакция № 3
30.09.
2010г
стр. 40 из 40