автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Структура и свойства нанокомпозитных матриц на основе хитозана и алифатического сополиамида для клеточных технологий

На правах рукописи

// V

Попрядухин Павел Васильевич

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТРИЦ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И АЛИФАТИЧЕСКОГО СОПОЛИАМИДА ДЛЯ КЛЕТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность: 05.17.06 - технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005537706

ноя т

Санкт-Петербург 2013

005537706

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждение науки Институте высокомолекулярных соединений Российской академии наук (ИВС РАН)

Научный руководитель: Юдин Владимир Евгеньевич

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией механики полимеров и композиционных материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института высокомолекулярных соединений Российской академии наук.

Официальные оппоненты: Цобкалло Екатерина Сергеевна

доктор технических наук профессор, заведующая кафедрой сопротивления материалов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»

Липатова Ирина Михайловна доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории химии и технологии модифицированных материалов, Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химии растворов им. Г.А. Кресгова Российской академии наук

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится «6» декабря 2013 г. в «16.00» часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.05, созданного на базе Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). Справки по тел.: (812) 494-93-75; факс: (812) 712-77-91; e-mail: dissowet@technolog.edu.ru

Автореферат разослан «_»_2013 г.

И.О. ученого секретаря диссертационного совета доктор химических наук, доцент

/У

Сивцов Е.В.

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Интенсивное развитие биологии и медицины в последние годы выдвинуло на передний план задачи, направленные на создание тканеинженерных конструкций на основе полимеров, способных заменить органы человека или животного. Решение этих задач возможно при понимании основных законов физики и химии полимеров, цитологии, биофизики и медицины. На стыке этих дисциплин в последнее десятилетие возникла новая дисциплина - тканевая инженерия, одной из основных задач которой является разработка тканеинженерных конструкций на основе полимерных или неорганических матриц, содержащих стволовые или соматические клетки. Такое изделие помещенное в живой организм должен полностью заменить утраченный орган или его часть, не вызывая аутоиммунного отторжения. При создании биоинженерных изделий решается и этическая проблема: не потребуется донорских органов, необходимых для современной трансплантологии. Материал для таких матриц должен обеспечить пролиферацию и дифференциацию стволовых и соматических клеток, поэтому он должен обладать биосовместимостью, отсутствием цитотоксичности, уровнем прочностных и эластичных характеристик, необходимым для манипуляции с ними в жидких средах. Этими характеристиками обладает ряд полимеров, в том числе природный биорезорбируемый полисахарид хитозан и небиорезорбируемый алифатический сополиамид.

Цель диссертационной работы — получение, исследование структуры и свойств резорбируемых одно- двух- и трехмерных матриц для клеточных технологий из хитозана и нанокомпозитов на его основе, а также нерезорбируемых пористых пленок и нановолокон из алифатического сополиамида.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработаеы способ получения волокон из хитозана и композитных волокон, содержащих органические и неорганические наночастицы;

- исследованы реологические характеристики растворов хитозана и их смесей с органическими и неорганическими наночастицами различной формы и размеров;

- исследовано влияние органических и неорганических наночастиц различной формы и размеров на структуру и свойства композитных волокон на основе хитозана;

- разработан способ получения пористых трехмерных матриц из хитозана и композитов, содержащих наночастицы монтмориллонита;

- исследован фазовый состав растворов алифатического сополиамида;

- разработан способ получения нановолокон из раствора алифатического сополиамида методом электроформования;

- исследована пористая структура матриц на основе алифатического сополиамида;

- исследована кинетика резорбции волокон на основе хитозана in vivo;

- исследована адгезия и пролиферация стволовых клеток на матрицах на основе хитозана и алифатического сополиамида.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- установлено влияние гидросиликатных и органических наночастиц различной формы и размеров на реологические свойства растворов хитозана;

- установлено влияние скорости сдвига растворов хитозана, а также смесей, содержащих нанотрубки хризотила, наночастицы монтмориллонита и хитина на структуру хигозановых и композитных волокон;

- проведено исследование влияния условий формования: времени осаждения и степени вытяжки на прочностные и упругие характеристики хитозановых и композитных волокон;

- получена зависимость устойчивости формы и размеров пористых трехмерных матриц на основе хитозана от содержания наночастиц монтмориллонита (ММТ);

- проведено исследование фазового состава растворов алифатического сополиамида (СПА) различной концентрации, а также влияния состава спиртоводного растворителя и температуры;

- установлена нелинейная зависимость диаметра нановолокон из СПА от концентрации раствора, величины электрического поля и его градиента;

- проведено исследование пористой структуры пленок и материалов на основе нановолокон СПА;

- проведено исследование кинетики и механизма резорбции in vivo волокон из хитозана.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- получены хитозановые и композитные волокна, содержащие гидросиликатные и органические наночастицы, с прочностью до 325 МПа, модулем Юнга до 15 ГПа, деформацией до разрыва- 7%;

- методом лиофилизации раствора хитозана концентрацией 4 мас.% в 2% растворе уксусной кислоты, содержащего наночастицы ММТ, получены пористые блочные образцы с повышенной формоустойчивостью в водных средах;

- разработан способ получения нановолокон из раствора СПА методом электроформования;

- получены пористые пленки из раствора СПА методом коагуляции;

раствора (Q) варьировали от 0,05 до 0,5 мл/мин, время осаждения - от 50 до 320 с. Степень фильерной вытяжки (X) изменяли от отрицательных значений -40% (усадка волокна) до 120%. Волокно промывали в дистиллированной воде, затем сушили при температуре50° С в течение 3 минут.

Композитные волокна формовали из смесей раствора хитозана, содержащего в качестве наполнителей частицы ММТ, хризотила, галлуазита или хитина. Наночастицы предварительно диспергировали в водной среде, после чего добавляли в раствор хитозана.

Сложность получения композита заключается в том, что раствор хитозана в уксусной кислоте имеет рН < 7. Для диспергирования ММТ до эксфолиированного состояния необходима нейтральная или щелочная среда с рН > 7. Поэтому была разработана методика диспергирования ММТ в растворе хитозана. Степень диспергирования частиц ММТ исследовали на установке динамического рассеяния cBeraMalvern Zetasizer Nano -ZS, этот метод позволяет получать функции распределения частиц по размерам и объему.

На рисунке 1 приведены функции распределения частиц ММТ в нейтральной среде до и после обработки ультразвуком в течение 60 мин. Из этих данных следует, что даже непродолжительная ультразвуковая обработка в воде приводит к существенному уменьшению средних размеров частиц наполнителя. Дальнейшее увеличение времени обработки практически не изменяет вида функции распределения, средний размер частиц составляет 80 нм.

® 20 о

5? ю

Í

■

А ^

10 100 1000 10000 Диаметр, нм

26 2D

еГ 1® ¡10

0-t— 0.1

10 100 1СОО 10CD0

Дм л метр, нм

Рисунок 1 - Функции распределения частиц ММТ по размеру (а) в нейтральной среде до воздействия ультразвука(б) после воздействия ультразвука

Нерезорбируемые матрицы формовали из алифатического сополиамида (СПА) -сополимера Е-капролактама и гексаметилендиаминадипината производства ООО

«Анид». Концентрация растворов СПА составляла 10 - 30 мас.%, растворителем являлись смеси этанол/вода с соотношением от 45/55 до 97/3 об.%. Растворы готовили при температуре 70 °С перемешиванием в течение 2 час, затем их фильтровали; обезвоздушивали в течение2 час при давлении 0.1 атм. Электроформование волокон из СПА производили на лабораторной установке ИБС РАН; пористые пленки формовали методом коагуляции раствора в воде.

Для цитологических исследований материалов на основе хитозана были использованы культуры мезенхимных стволовых клеток жировой ткани (ASCs). Клетки культивировали в питательной среде MEM Alpha Modification (Gibco, США) в ССЬ-инкубаторе, влажность 70%, температура 37°С, содержание ССЬ 5-7%. Для исследования методом сканирующей электронной микроскопии, клетки фиксировались на поверхности матрицы с помощью растворов глутарового альдегида.

Ультразвуковое диспергирование ММТ проводили в воде в течение 1 ч на ультразвуковом диспергаторе УЗВ-1,3 при частоте 40 кГц.

Реологические измерения проводились на реометре Physica MCR 301 фирмы Anton Paar при 20°С по методу «цилиндр в цилиндре» как в режиме сдвигового течения при скоростях сдвига 1 - 4000 с"1, так и в динамическом режиме при круговых частотах 0.5 - 100 рад/с при деформации 1 - 10%.

Микроскопические исследования проводили с помощью электронного микроскопа Carl Zeiss Supra 55 VP; перед измерениями поверхность образцов покрывалась золотом.

Механические свойства волокон исследовали на испытательной машине УМИВ (г. Иваново), перед испытаниями волокна выдерживались в эксикаторе при относительной влажности 66% не менее 24 час, база испытаний составляла 15 мм, скорость нагружения - 1 мм/мин.

В главе 3 приведены результаты исследований и их обсуждение. Перспективными материалами на основе хитозана являются одномерные матрицы, которые могут являться прообразами нервной или мышечной тканей, а также ткани связок. С этой целью была отработана технология получения хитозановых и композитных волокон, содержащих в качестве наполнителей неорганические или органические наночастицы различной формы и размеров. Условия получения волокон, исследование их структуры и свойств изложены в главе 3.

Увеличение скорости сдвига приводит к упорядочиванию структуры раствора, о чем свидетельствует уменьшение эффективной вязкости. В то же время увеличение скорости сдвига сокращает время пребывания полимера в осадительной ванне, что несколько снижает механические свойства волокон. Дальнейшее увеличение скорости сдвига, более 196 с ", приводит к нарушению ламинарности струи раствора полимера вплоть до ее разрыва, что существенно осложняет процесс формования волокна.

Возможность использования материала в качестве матрицы для клеточных технологий определяется их биосовместимостью, отсутствием цитотоксичности. Исследование биосовместимости волокон из хитозана оценивали по адгезии и пролиферации стволовых клеток на их поверхности, для этого волокна помещались в культуральную среду, содержащую мезенхимные стволовые клетки. На рисунке 5 представлены микрофотографии поверхности волокна после культивирования стволовых мезенхимных клеток в течение 3 суток. Видно, что поверхность волокна обладает хорошей адгезией к стволовым клеткам. Клетки распластываются на поверхности, что свидетельствует об отсутствии цитотоксичности материала.

а б

Рисунок 5 — Микрофотографии поверхности волокна из хитозана после культивирования стволовых клеток в течение 3 суток.

Для изучения резорбции хитозановых волокон in vivo, пучок волокон помещали в спинную мышцу крысы. С интервалом в 5 — 7 дней волокна извлекались из животных. Процесс резорбции можно представать следующей схемой. До 12 суток волокна практически не изменяют своего диаметра, разрушения не наблюдается. После выдержки в течение 17 суток наблюдается фрагментация волокон до отрезков длиной 3 — 5 мм и частичная резорбция фрагментов волокон. Интенсивное разрушение происходит на21 сутки выдержки; на 30 сутки волокна полностью резорбированы.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

На правах рукописи

„_ -, .• , 1Г Г С" т

П 2 £ и I Н Ь и ;

ПОПРЯДУХИН ПАВЕЛ ВАСИЛЬЕВЫ

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТРИЦ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И АЛИФАТИЧЕСКОГО СОПОЛИАМИДА ДЛЯ

КЛЕТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

05.17.06 - технология и переработка полимеров и композитов

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

Юдин Владимир Евгеньевич

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 4

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИЦ ДЛЯ КЛЕТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.......................................... 10

1.1. Свойства матриц для клеточных технологий........................ 10

1.2. Физико-химические основы формования волокон из целлюлозы, хитина и хитозана................................................. 16

1.3. Структура наночастиц монтмориллонита, хризотила и галлуазита........................................................................ 21

1.4. Структура и свойства пористых губок на основе хитина и хитозана............................................................................ 25

1.5. Основные принципы получения волокон методом электроформования............................................................................... 28

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОЛУЧЕНИЯ

ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИЦ ДЛЯ КЛЕТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.... 32

2.1. Объекты исследования..........................................................................................................32

2.2. Методы исследования..........................................................................................................................................33

2.3. Метод формования волокон из хитозана и композитов на его основе......................................................................................................................................................................................................34

2.4. Метод получения трехмерных матриц..........................................................................37

2.5. Метод электроформования волокон................................................................................38

2.6. Получение пористых пленочных материалов методом коагуляции................................................................................................................................................40

2.7. Методы исследования адгезии и пролиферации клеток на полимерных матрицах........................................................... 41

ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМОВАНИЯ

НАНОКОМПОЗИТНЫХ ВОЛОКОН ИЗ ХИТОЗАНА.................. 43

3.1. Влияние вязкости растворов хитозана и их смесей с наночастицами на структуру и свойства волокон........................ 43

3.2. Структура и свойства волокон из хитозана........................... 47

3.3. Кинетика резорбции волокон из хитозана............................ 56

3.4. Метод диспергирования частиц монтмориллонита и получения нанокомпозитов на основе хитозана......................................... 58

3.5. Структура и свойства композитных волокон на основе

хитозана и гидросиликатных нанотрубок................................... 65

3.6. Получение и свойства композитных волокон из хитозана и нанофибрилл хитина......................................................................... 70

3.7. Структура композитных волокон на основе хитозана и наночастиц ММТ.................................................................. 74

ГЛАВА 4. СВОЙСТВА РЕЗОРБИРУЕМЫХ И НЕРЕЗОРБИРУЕМЫХ ДВУХ- И ТРЕХМЕРНЫХ МАТРИЦ ДЛЯ КЛЕТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ................................................................... 77

4.1. Резорбируемые двух- и трехмерные матрицы на основе хитозана и наночастиц ММТ.................................................. 77

4.2. Получение и исследование структуры и свойств пористых пленок из алифатического сополиамида..................................... 83

4.3. Пористые матрицы на основе волокон из алифатического сополиамида, полученных методом электроформования............... 92

ВЫВОДЫ................................................................................... 100

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................... 101

ПРИЛОЖЕНИЕ А.................................................................... 118

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Интенсивное развитие биологии и медицины в последние годы выдвинуло на передний план задачи, направленные на создание материалов, способных частично или полностью заменить органы или человека или животного. Решение этих задач возможно при понимании основных законов физики и химии полимеров, цитологии, биофизики и медицины. На стыке этих дисциплин в последнее десятилетие возникла новая дисциплина — тканевая инженерия, одной из основных задач которой является разработка матриц на основе полимерных или неорганических материалов, содержащих стволовые или соматические клетки. Биоинженерный препарат, помещенный в живой организм, должен полностью заменить утраченный орган, не вызывая аутоиммунного отторжения. При создании биоинженерных препаратов решается и этическая проблема - отказ от использования донорских органов, необходимых для современной трансплантологии.

Материал для таких матриц должен обеспечить пролиферацию и дифференциацию стволовых и соматических клеток, поэтому он должен обладать биосовместимостью, отсутствием цитотоксичности, определенным уровнем прочностных и эластичных характеристик, необходимых для манипуляции с ними в жидких средах. В этой связи особую значимость для регулирования свойств полимерных матриц приобретает использование биосовместимых неорганических гидросиликатных или органических наночастиц, в частности, нанофибрилл хитина. Показано, что введение этих наночастиц в крайне малых концентрациях (доли процента) в полимерную матрицу приводит к заметному росту механических, барьерных и других полезных (в зависимости от типа наночастиц) свойств полимерного материала. Важно отметить, что улучшения этих полезных свойств полимерного материала можно добиться не за счет химического синтеза, который зачастую

предполагает использование токсичных продуктов реакции, а только за счет равномерного диспергирования наночастиц в полимерном материале при использовании различных технологических приёмов таких, например, как воздействие ультразвуком, механическим перемешиванием, ориентационной вытяжкой.

Схематически процесс формирования нового органа заключается в следующем. Полимерная матрица, содержащая стволовые или соматические клетки реципиента, помещается в организм человека или животного, где под действием окружающей естественной биологической среды, а также введенных в матрицу «факторов роста» (специальных белков) происходит направленная дифференциация и пролиферация клеток, что приводит к образованию ткани нового органа, идентичного ткани реципиента. Одновременно с этими процессами исходная матрица под действием ферментов и макрофагов - клеток, способных к активному захвату и фагоцитозу чужеродных для организма частиц, разрушается, ее остатки уносятся током крови, т.е. происходит резорбция исходной матрицы.

В качестве материалов для резорбируемых матриц используют такие полимеры как полигликолиды, полилактиды, полилактоны, полисахариды и некоторые другие. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. В частности, при синтезе и переработке полигидроксиалканоатов используются токсичные вещества (дихлорметан и гексан), следы которых в готовых матрицах могут препятствовать культивации клеток.

В последнее время в качестве матриц используют пленки, волокна и пористые блочные материалы на основе природного полисахарида - хитина. При переработке этого полимера в волокна или пористые блочные образцы используется органический комплексный растворитель - ДМАА с добавлением 1ЛС1. Ионы соли лития также трудно выводятся из полимера, что снижает биосовместимость материала, повышает его цитотоксичность.

Наиболее перспективным полимером, обладающим комплексом необходимых свойств - отсутствием цитотоксичности, биосовместимостью,

биодеградируемостью, экологичностью переработки, удовлетворительными прочностными и деформационными характеристиками — является хитозан. Однако, обладая высокой гидрофильностью, материалы из этого полимера характеризуются нестабильной структурой во влажном состоянии, снижением прочностных характеристик в водных средах.

Для ряда задач клеточных технологий кроме резорбируемых матриц необходимы матрицы, сохраняющие свою структуру и свойства при контакте с активными биологическими средами в течение длительного времени. Из литературы известно, что для нерезорбируемых матриц используют керамику, фторполимеры различного сополимерного состава, углеродные материалы, сплавы титана и его оксидов. Вместе с тем сополимеры алифатического сополиамида, содержащие в основной цепи е - капролактам и соли адипиновой и/или себациновой кислот, используются в клеточных технологиях крайне редко. Эти полимеры растворяются в спиртоводных смесях, обладают хорошими пленко- и волокнообразующими свойствами. Можно предположить, что материалы на основе алифатического сополиамида могут быть эффективно использованы в качестве нерезорбируемых матриц для клеточных технологий.

Поэтому целью работы являлось получение, исследование структуры и свойств резорбируемых одно- двух- и трехмерных матриц для клеточных технологий из хитозана и нанокомпозитов на его основе, а также нерезорбируемых пористых пленок и нановолокон из алифатического сополиамида.

Для этого необходимо было решить следующие задачи:

- разработать способ получения волокон из хитозана и композитных волокон, содержащих органические и неорганические наночастицы;

- исследовать реологические свойства растворов хитозана и их смесей с органическими и неорганическими наночастицами различной формы и размеров;

- исследовать влияние органических и неорганических наночастиц различной формы и размеров на структуру и свойства композитных волокон на основе хитозана;

- разработать способ получения пористых трехмерных матриц из хитозана и композитов, содержащих наночастицы монтмориллонита;

- исследовать фазовый состав растворов алифатического сополиамида;

- разработать способ получения нановолокон из раствора алифатического сополиамида методом электроформования;

- исследовать пористую структуру материалов на основе алифатического сополиамида;

- исследовать кинетику резорбции волокон на основе хитозана in vivo;

- исследовать адгезию и пролиферацию стволовых клеток на матрицах на основе хитозана и алифатического сополиамида.

Научная новизна работы:

- установлено влияние гидросиликатных и органических наночастиц различной формы и размеров на реологические свойства растворов хитозана;

- установлено влияние скорости сдвига растворов хитозана, а также смесей, содержащих нанотрубки хризотила, наночастицы монтмориллонита и хитина на структуру хитозановых и композитных волокон;

- проведено исследование влияния условий формования: времени осаждения и степени вытяжки на прочностные и упругие характеристики хитозановых и композитных волокон;

- получена зависимость устойчивости формы и размеров пористых трехмерных матриц на основе хитозана от содержания наночастиц монтмориллонита (ММТ);

- проведено исследование фазового состава растворов алифатического сополиамида (СПА) различной концентрации, а также влияния состава спиртоводного растворителя и температуры;

- установлена нелинейная зависимость диаметра нановолокон из СПА от концентрации раствора, величины электрического поля и его градиента;

- проведено исследование пористой структуры пленок и материалов на основе нановолокон СПА;

- проведено исследование кинетики и механизма резорбции in vivo волокон из хитозана.

Практическая значимость работы:

- получены хитозановые и композитные волокна, содержащие гидросиликатные и органические наночастицы, с прочностью до 325 МПа, модулем Юнга до 15 ГПа, деформацией до разрыва ~ 7%;

- методом лиофилизации раствора хитозана концентрацией 4 мас.% в 2 об.% растворе уксусной кислоты, содержащего наночастицы ММТ, получены пористые блочные образцы с повышенной стабильностью структуры в водных средах;

- разработан способ получения нановолокон из раствора СПА методом электроформования;

- получены пористые пленки из раствора СПА методом коагуляции;

- показана высокая адгезия и пролиферация стволовых клеток на волокнах, пленках и губках из хитозана, а также нанокомпозитах на его основе;

- показана высокая адгезия и пролиферация стволовых клеток на пористых пленках и нановолокнах из СПА;

- показано, что in vivo волокна из хитозана полностью резорбируют на 30 сутки.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на следующих конференциях: 6-й и 7-й Санкт-Петербургской конференции молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах», (Санкт-Петербург 2010, 2011), 2-й и 3-й Всероссийской школе-конференции для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Московская область 2010, 2011), Научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2011» СПбГТИ (ТУ) (Санкт-Петербург 2011), 12-ой Международной конференция по физике диэлектриков «Диэлектрики-2011» (Санкт-Петербург 2011), The 7-th International Symposium Molecular Mobility and Order in Polymer Systems (St.Petersburg 2011), Theses of conference Fibermed 2011, (Tampere Finland 2011), 2-й Международной школе «Наноматериалы и нанотехнологии в живых

системах. Безопасность и наномедицина» (Московская область 2011), Theses of the World Conference on Regenerative Medicine (Leipzig Germany 2011), Международной научной конференции и 8 Всероссийской олимпиады молодых ученых «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург 2012).

Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 8 статей, 7 из них в журналах рекомендованных ВАК РФ, 17 тезисов докладов в сборниках российских и международных конференции, подтверждено 2 патента РФ, поданы 3 заявки на патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, первая из которых является обзором литературы, а остальные 3 главы содержат оригинальные результаты исследований, выводов, списка литературы. Работа изложена на 119 страницах, включает 34 рисунка, 10 таблиц и библиографию из 154 наименований.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИЦ ДЛЯ

КЛЕТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. Свойства матриц для клеточных технологий

Исследования последних лет позволили сформулировать основной комплекс свойств материалов, который необходим для успешного использования их в качестве матриц для тканевой инженерии и клеточной трансплантологии [1-3].

Оптимальный биоматериал должен иметь стабильные физико-химические свойства в условиях стерилизационной обработки, при манипуляциях в жидких средах и в ходе культивирования клеток [4]. Механические свойства матрицы должны обеспечивать удобство переноса биоинженерной конструкции в организм, стабилизации ее в области повреждения (терапии) и, при необходимости, легкое удаление.

Материал должен обладать комплексом свойств, обеспечивающих биосовместимость матрицы. К таким свойствам относится отсутствие токсичности при взаимодействии с клетками in vitro и in vivo и минимализация возможных воспалительных процессов в живой ткани [5, 6].

Матрица должна поддерживать адгезию, пролиферацию и, в случае необходимости, дифференциацию клеточных элементов в составе биоинженерного препарата [7-9]. Для этого предусматривается возможность моделирования её поверхностей со сложным рельефом [10].

В некоторых случаях необходимым условием использования материала являются выраженные антимикробные и антимикотические свойства [11-14]. В то же время матрица должна иметь достаточную проницаемость для газов (кислорода, углекислоты) и обеспечивать протекание репаративных процессов в ткани. Свойства матрицы должны позволять контролировать темп и механизм резорбции в пределах организма, что обеспечивается ее биодеградируемость [15].

Таким образом, ключевой проблемой для успеха создания эффективных биоконструкций является наличие биосовместимого резорбируемого материала. Быстрая деградация носителя-подложки способствует вымыванию клеток вместе с транссудатом из раны, поэтому тканезамещающие имплантаты должны иметь прогнозируемый срок биодеградации.

Для создания матриц используют материалы как природного, так и искусственного происхождения: металлы, керамику [16-19], синтетические и природные полимеры [2, 20-25], различные композиты [23, 25-27]. В последние десятилетия непрерывно растет интерес к биодеградируемым природным полимерам - альгинатам, коллагену, желатину, хитозану, фиброинам шелка [28] и полиэфирам бактериального происхождения -полигидроксиалканоатам (ПГА) [29], синтезируемым микроорганизмами.

Полимеры, используемые в качестве матриц для клеточных технологий, и их химическое строение приведены в таблице 1.

В последнее время для получения матриц для клеточных технологий используют природные полисахариды - хитин и хитозан [30-33]. Хитин -природный полимер, широко распространенный в низших формах растений и насекомых. По значимости в органическом мире и сырьевым запасам он занимает второе место после целлюлозы. Осно�