RU2660588C1 - Способ упрочнения гидрогелей - Google Patents
Способ упрочнения гидрогелей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2660588C1 RU2660588C1 RU2017125524A RU2017125524A RU2660588C1 RU 2660588 C1 RU2660588 C1 RU 2660588C1 RU 2017125524 A RU2017125524 A RU 2017125524A RU 2017125524 A RU2017125524 A RU 2017125524A RU 2660588 C1 RU2660588 C1 RU 2660588C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pressure
- reactor
- carbon dioxide
- hydrogel
- temperature
- Prior art date
Links
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 19
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 8
- 210000000845 cartilage Anatomy 0.000 description 3
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 3
- 229920001661 Chitosan Polymers 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 2
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 description 1
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 239000010954 inorganic particle Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002705 metabolomic analysis Methods 0.000 description 1
- 230000001431 metabolomic effect Effects 0.000 description 1
- 239000012802 nanoclay Substances 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 231100000623 nanotoxicology Toxicity 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000036542 oxidative stress Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000005556 structure-activity relationship Methods 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L15/00—Chemical aspects of, or use of materials for, bandages, dressings or absorbent pads
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L15/00—Chemical aspects of, or use of materials for, bandages, dressings or absorbent pads
- A61L15/07—Stiffening bandages
- A61L15/10—Stiffening bandages containing organic materials
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Изобретение относится к медицине, а именно к тканевой инженерии и регенеративной медицине, и предназначено для восстановления различных дефектов ткани. Для упрочнения гидрогелей осуществляют обработку гидрогелевого скаффолда в реакторе в среде сверхкритического диоксида углерода при температуре выше комнатной с последующим понижением температуры и постепенным снижением давления в реакторе до атмосферного. Обработку в реакторе ведут в течение 1-2 часов при температуре 40-50°С и давлении 5-15 МПа. Постепенное снижение давления диоксида углерода после обработки производят в течение 0,5-2 часов, при этом скорость потока диоксида углерода, обтекающего скаффолд, поддерживают в диапазоне 0,05-1 мм/с. Использование изобретения позволяет повысить прочность гидрогелевого скаффолда. 1 ил., 1 пр.
Description
Предлагаемое изобретение относится к медицине, а именно к тканевой инженерии и регенеративной медицине, и может быть использовано для создания имплантированных в организм скаффолдов для восстановления различных дефектов ткани.
Скаффолд - трехмерная пористая или волокнистая матрица, применяемая для восстановления дефектов тканей и органов, основная функция которой состоит в обеспечении механического каркаса для клеток и поддержки тканевого дефекта [Stella J.A., D'Amore A., Wagner W.R., Sacks M.S. On the biomechanical function of scaffolds for engineering load-bearing soft tissues. Acta Biomater, 2010. V. 6 N. 7. P. 2365-2381, doi: 10.1016/j.actbio. 2010.01.001]. Механические свойства скаффолда должны быть схожи с механическими свойствами окружающей ткани. Это важно, во-первых, для дифференцировки в нужном направлении клеток, помещенных на поверхность скаффолда, во-вторых, для ослабления тканевого ответа при их имплантации, в-третьих, для регулирования скорости биодеградации скаффолдов (она должна соответствовать скорости восстановления ткани пациента).
Гидрогели являются перспективным материалом для создания скаффолдов (Zhu J., Marchant R.E. Design properties of hydrogel tissue-engineering scaffolds // Expert review of medical devices. 2011. V. 8. №5. P. 607-626). Основной особенностью, ограничивающей применение гидрогелевых скаффолдов, является их механическая прочность (низкие значения модуля Юнга). Сами по себе гидрогели являются мягкими и хрупкими, не могут долгое время выдерживать большие деформации, что происходит, главным образом из-за наличия в полимерной сетке несшитых компонентов. В связи с этим важно делать гидрогели более прочными (повысить модуль Юнга).
Известен способ упрочнения гидрогелей (заявка США 20060134050, МПК А61K 8/80, опубл. 22 июня 2006), основанный на химическом взаимодействии и заключающийся в добавлении в материал гидрогеля для получения дополнительных сшивок биоактивных веществ с молекулярной массой от 2000 до 1000000.
Основной недостаток данного способа заключается в том, что из подобного гидрогеля невозможно сформировать структуру скаффолда заданной архитектоники, например, используя лазерные технологии трехмерного принтинга.
Известен также способ упрочнения гидрогелей, основанный на использовании наноразмерных материалов, которые вводят в структуру гидрогеля. Например, при введении в гидрогель неорганических частиц наноглины его механические характеристики могут увеличиться в несколько раз в сравнении с исходным гидрогелем (K. Haraguchi, Т. Takehisa, Nanocomposite hydrogels: A unique organic-inorganic network structure with extraordinary mechanical, optical, and swelling/de-swelling properties // Adv. Mater. 2002. V. 14. P. 1120-1124, doi: 10.1002/1521-4095(20020816)14:16<1120::AID-ADMA1120>3.0.CO;2-9).
Однако известный способ имеет ряд недостатков. Один из них заключается в том, что наноразмерный наполнитель в структуре гидрогеля при его введении распределяется не достаточно равномерно, поэтому повышение механических свойств по всему объему происходит неравномерно. Помимо этого, введение наноразмерного наполнителя может вызывать токсическое действие на клетки (Carrola, J., Bastos, V., Jarak, I., Oliveira-Silva, R., Malheiro, E., Daniel-da-Silva, A.L., et al. Metabolomics of silver nanoparticles toxicity in HaCaT cells: structure-activity relationships and role of ionic silver and oxidative stress // Nanotoxicology. 2016. V. 10, N. 8. P. 1105-1117).
Указанных недостатков лишен наиболее близкий к предлагаемому способ упрочнения гидрогелей, принятый за прототип (Тимашев П.С, Бардакова К.Н., Чурбанов С.Н., Кротова Л.И., Григорьев A.M., Новиков М.М., Лакеев С.Г., Севастьянов В.И., Баграташвили В.Н. Сверхкритическая флюидная обработка трехмерных гидрогелевых матриксов, полученных из производных хитозана // Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2016. Т. 18. №3. С. 85-93. doi: 10.15825/1995-1191-2016-3-85-93). Способ заключается в обработке гидрогеля в среде сверхкритического диоксида углерода с температурой 40°С и давлением 12 МПа в течение 1.5 часов, после чего нагревательный элемент выключается, а давление в реакторе постепенно снижается до атмосферного в течение 1 часа. Известный способ позволяет практически на порядок повысить модуль Юнга для гидрогелей, за счет эффективного удаления из материала гидрогеля несшитых компонентов. Важно, что известный способ не изменяет химическую структуру материала и не влияет на его токсичность. Недостаток известного способа заключается в низкой эффективности, поскольку повышение прочности материала в среднем на один порядок недостаточно для создания гидрогелевых скаффолдов для регенерации хрящевой ткани с модулем Юнга 0,45-0,80 МПа (в кн. Mansour J.М. Biomechanics of cartilage // Kinesiology: the mechanics and pathomechanics of human movement. 2003. C. 66-79). Невозможность увеличить модуль Юнга существенно больше, чем на порядок, связано с низкой эффективностью удаления несшитых компонентов из материала.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка эффективного способа упрочнения гидрогелей.
Техническим результатом является повышение модуля Юнга (увеличение прочности) гидрогелевых скаффолдов на два и более порядка в сравнении с необработанным скаффолдом.
Такие скаффолды могут успешно использоваться для регенерации тканей с высокими значениями модуля Юнга, например хрящевых тканей.
Поставленная техническая задача, обеспечивающая получение заданного результата, достигается тем, что в способе упрочнения гидрогелей, заключающемся в обработке гидрогелевого скаффолда в реакторе в среде сверхкритического диоксида углерода при температуре выше комнатной с последующим понижением температуры и постепенным снижением давления в реакторе до атмосферного, обработку в реакторе ведут в течение 1-2 часов при температуре 40-50°С и давлении 5-15 МПа, а постепенное снижение давления диоксида углерода после обработки производят в течение 0.5-2 часов, при этом скорость потока диоксида углерода, обтекающего скаффолд, поддерживают в диапазоне 0.05-1 мм/с.
Результаты испытаний образцов, полученных при реализации предложенного способа, представлены на чертеже, на котором показаны графики распределения модуля Юнга по поверхности образцов необработанного (а) и обработанного (б) гидрогелевого скаффолда.
Пример осуществления способа
Для экспериментов использовали образцы, полученные на основе фоточувствительных гидрогелей методом лазерной стереолитографии (Тимашев П.С., Бардакова К.Н., Чурбанов С.Н., Кротова Л.И., Григорьев A.M., Новиков М.М., Лакеев С.Г., Севастьянов В.И., Баграташвили В.Н. Сверхкритическая флюидная обработка трехмерных гидрогелевых матриксов, полученных из производных хитозана //Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2016. Т. 18. №3. С. 85-93. doi: 10.15825/1995-1191-2016-3-85-93). Измерение модуля Юнга образцов проводилось с помощью наноиндентера Piuma Nanoindenter (Opticsll, Нидерланды) (Ernst Breel. Characterizing the micro-mechanical properties of immersed hydrogels by nanoindentation. Technical Report. 2015. DOI: 10.13140/2.1.3580.9606).
Образцы помещали в реактор из нержавеющей стали объемом 25 мл внутрь термостата. Образец, параметры которого представлены на фиг. 1, обрабатывался следующим образом. В термостате устанавливали температуру 40-50°С и по достижении заданных температур начинали подавать в реактор углекислый газ из баллона до давления ~5 МПа. Затем включали плунжерный насос с давлением 15 МПа. Когда давление в реакторе достигало заданных величин, постепенно открывали вентиль тонкой регулировки таким образом, чтобы давление в системе не падало, а поток минимально отклонялся от заданного и составлял 5-7 мл/мин, что соответствовало скорости перемещения СО2 в реакторе 0.08-0.12 мм/с. Обработку проводили в течение 1.5 часов, после чего спускали давление в системе до атмосферного в течение 1.5 часов.
Как видно из фиг. 1, после обработки образцов предлагаемым способом модуль Юнга материала образца по сравнению с исходными показателями увеличился более чем на два порядка.
Проведенные эксперименты показали, что обработка скаффолдов сверхкритическим СО2 значительно увеличивает прочность материала по сравнению с необработанными образцами и образцами, обработанными способом, который был принят за аналог. Средние значения модуля Юнга составили: для исходных гидрогелевых скаффолдов - 3,3±0,9 кПа; для обработанных аналогом - 54±18 кПа; для обработанных предлагаемым способом - 600±220 кПа.
Полученный технический результат обусловлен тем, что в процессе обработки гидрогелевых скаффолдов в проточном реакторе с постоянным потоком сверхкритического диоксида углерода интенсифицируются массообменные процессы и происходит эффективный отвод из полимерной сетки несшитых компонентов, которые в большей степени определяют низкие значения модуля Юнга (низкую прочность) необработанного гидрогеля.
Таким образом, поставленная задача полностью решена, а именно разработан эффективный способ упрочнения гидрогелей.
Claims (1)
- Способ упрочнения гидрогелей, заключающийся в обработке гидрогелевого скаффолда в реакторе в среде сверхкритического диоксида углерода при температуре выше комнатной с последующим понижением температуры и постепенным снижением давления в реакторе до атмосферного, отличающийся тем, что обработку в реакторе ведут в течение 1-2 часов при температуре 40-50°C и давлении 5-15 МПа, а постепенное снижение давления диоксида углерода после обработки производят в течение 0.5-2 часов, при этом скорость потока диоксида углерода, обтекающего скаффолд, поддерживают в диапазоне 0.05-1 мм/с.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017125524A RU2660588C1 (ru) | 2017-07-18 | 2017-07-18 | Способ упрочнения гидрогелей |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017125524A RU2660588C1 (ru) | 2017-07-18 | 2017-07-18 | Способ упрочнения гидрогелей |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2660588C1 true RU2660588C1 (ru) | 2018-07-06 |
Family
ID=62815744
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017125524A RU2660588C1 (ru) | 2017-07-18 | 2017-07-18 | Способ упрочнения гидрогелей |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2660588C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2478706C1 (ru) * | 2011-12-23 | 2013-04-10 | Игорь Иванович Агапов | Способ получения суспензий гидрогелевых микрочастиц с заданными размерами на основе рекомбинантного белка паутины и их применение |
| RU2487701C2 (ru) * | 2011-07-26 | 2013-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Инмед" | Раствор для получения материала на основе хитозана, способ получения гемостатического материала из этого раствора (варианты) и медицинское изделие с использованием волокон на основе хитозана |
| LT2014117A (lt) * | 2014-10-13 | 2016-05-10 | Uab "Biomė" | Trimatis porėtas celiuliozės karkasas kaulo inžinerijai ir jo gavimo būdas |
| KR20160079187A (ko) * | 2014-12-26 | 2016-07-06 | 한국기계연구원 | Ｕｖ 경화를 이용한 스캐폴드 제조장치 |
-
2017
- 2017-07-18 RU RU2017125524A patent/RU2660588C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2487701C2 (ru) * | 2011-07-26 | 2013-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Инмед" | Раствор для получения материала на основе хитозана, способ получения гемостатического материала из этого раствора (варианты) и медицинское изделие с использованием волокон на основе хитозана |
| RU2478706C1 (ru) * | 2011-12-23 | 2013-04-10 | Игорь Иванович Агапов | Способ получения суспензий гидрогелевых микрочастиц с заданными размерами на основе рекомбинантного белка паутины и их применение |
| LT2014117A (lt) * | 2014-10-13 | 2016-05-10 | Uab "Biomė" | Trimatis porėtas celiuliozės karkasas kaulo inžinerijai ir jo gavimo būdas |
| KR20160079187A (ko) * | 2014-12-26 | 2016-07-06 | 한국기계연구원 | Ｕｖ 경화를 이용한 스캐폴드 제조장치 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ТИМАШЕВ П.С. и др. Сверхкритическая флюидная обработка трехмерных гидрогелевых матриксов, полученных из производных хитозана. Вестник трансплантологии и искусственных органов, 2016, 18(3), с.85-93. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bendtsen et al. | Development of a novel alginate‐polyvinyl alcohol‐hydroxyapatite hydrogel for 3D bioprinting bone tissue engineered scaffolds | |
| Saini et al. | Nano-silver hydroxyapatite based antibacterial 3D scaffolds of gelatin/alginate/poly (vinyl alcohol) for bone tissue engineering applications | |
| DE69731959T2 (de) | Implantierbares acrylamidcopolymer-hydrogel für therapeutische anwendungen | |
| Pan et al. | 3D bioplotting of gelatin/alginate scaffolds for tissue engineering: influence of crosslinking degree and pore architecture on physicochemical properties | |
| JP7478099B2 (ja) | コラーゲン生体材料及びコラーゲン生体材料を製造する方法 | |
| Melchels et al. | Development and characterisation of a new bioink for additive tissue manufacturing | |
| Qasim et al. | Freeze gelated porous membranes for periodontal tissue regeneration | |
| Alves et al. | Surface modification of polyurethane films by plasma and ultraviolet light to improve haemocompatibility for artificial heart valves | |
| Zhang et al. | “All-in-one” zwitterionic granular hydrogel bioink for stem cell spheroids production and 3D bioprinting | |
| JP2021074557A (ja) | ポロゲン材料、製造方法、および使用 | |
| Craciunescu et al. | In vitro and in vivo evaluation of a biomimetic scaffold embedding silver nanoparticles for improved treatment of oral lesions | |
| US20090075382A1 (en) | Fibre-reinforced scaffold | |
| Griffin et al. | Enhancing tissue integration and angiogenesis of a novel nanocomposite polymer using plasma surface polymerisation, an in vitro and in vivo study | |
| Wang et al. | Ductility and porosity of silk fibroin films by blending with glycerol/polyethylene glycol and adjusting the drying temperature | |
| Altuntas et al. | Nanopillared chitosan/gelatin films: a biomimetic approach for improved osteogenesis | |
| Praveen et al. | Poly (2-hydroxyethyl methacrylate) sponges doped with Ag nanoparticles as antibacterial agents | |
| Farshid et al. | Morphology-dependent immunomodulatory coating of hydroxyapatite/PEO for magnesium-based bone implants | |
| Thirugnanasambandan | Bio-nanocomposites in biomedical application | |
| Xie et al. | The formation process and mechanism of the 3D porous network on the sulfonated PEEK surface | |
| RU2660588C1 (ru) | Способ упрочнения гидрогелей | |
| Zhou et al. | Synthesis of poly hydroxypropyl methacrylate cryogel incorporated with Zn/Ce substituted hydroxyapatite nanoparticles for rejuvenation of femoral fracture treatment in a rat model | |
| Wei et al. | Bone Immune Microenvironment-Modulating Naringin Carbon Dot Complex Hydrogel with ROS-Scavenging and Antibacterial Properties for Enhanced Bone Repair | |
| Han et al. | Mechanical property of TiO2 micro/nano surface based on the investigation of residual stress, tensile force and fluid flow shear stress: for potential application of cardiovascular devices | |
| Heise et al. | Bioactive glass containing coatings by electrophoretic deposition: development and applications | |
| KR20230022392A (ko) | 유무기 복합 하이드로겔 제조용 조성물 및 이를 포함하는 유무기 복합 하이드로겔 제조용 키트 |