RU2842966C1 - Method of producing biocompatible and biodegradable hydrogels by step-by-step solvent replacement - Google Patents
Method of producing biocompatible and biodegradable hydrogels by step-by-step solvent replacement Download PDFInfo
- Publication number
- RU2842966C1 RU2842966C1 RU2024134892A RU2024134892A RU2842966C1 RU 2842966 C1 RU2842966 C1 RU 2842966C1 RU 2024134892 A RU2024134892 A RU 2024134892A RU 2024134892 A RU2024134892 A RU 2024134892A RU 2842966 C1 RU2842966 C1 RU 2842966C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- organic solvent
- solvent
- solution
- amphiphilic
- block copolymers
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Изобретение относится к области химии высокомолекулярных соединений и регенеративной медицины, направлено на разработку биосовместимых и биоразлагаемых полимерных гидрогелевых материалов, которые могут быть использованы для создания тканеинженерных конструкций, носителей лекарственных препаратов, а также раневых покрытий и других медицинских изделий.The invention relates to the field of high-molecular chemistry and regenerative medicine, and is aimed at developing biocompatible and biodegradable polymer hydrogel materials that can be used to create tissue-engineered structures, drug carriers, as well as wound dressings and other medical products.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время развитие регенеративной медицины требует всё большего количества биосовместимых материалов для восстановления тканей и органов человека. Основная идея заключается в создании матрицы (каркаса), которая совместима с биологической средой организма и по своим физико-механическим свойствам схожа с нативными тканями. Включение в подобную матрицу клеток и факторов роста, которые стимулируют их пролиферацию и дифференциацию, будет способствовать регенерации нативной ткани. Для таких целей могут применяться губчатые, волокнистые или гидрогелевые материалы.Currently, the development of regenerative medicine requires an increasing number of biocompatible materials for the restoration of human tissues and organs. The main idea is to create a matrix (framework) that is compatible with the biological environment of the body and is similar in its physical and mechanical properties to native tissues. The inclusion of cells and growth factors in such a matrix, which stimulate their proliferation and differentiation, will contribute to the regeneration of native tissue. Spongy, fibrous or hydrogel materials can be used for such purposes.
Гидрогели - это коллоидные системы, состоящие из воды более чем на 80-90%, дисперсная фаза которых представляет собой трехмерный каркас высокомолекулярного соединения природного или синтетического происхождения. Такие материалы потенциально обладают отличной биосовместимостью благодаря высокому содержанию воды, а также мягкой и эластичной структуре. В качестве полимерной основы гидрогеля можно использовать различные высокомолекулярные соединения, такие как полиакриламид, поливиниловый спирт, целлюлоза, коллаген, хитозан, блок-сополимеры этиленгликоля с гидрофобными полимерами, альгиновую кислоту, кремнийорганические полимеры и т.д.Hydrogels are colloidal systems consisting of more than 80-90% water, the dispersed phase of which is a three-dimensional framework of a high-molecular compound of natural or synthetic origin. Such materials potentially have excellent biocompatibility due to their high water content, as well as soft and elastic structure. Various high-molecular compounds can be used as a polymer base for hydrogels, such as polyacrylamide, polyvinyl alcohol, cellulose, collagen, chitosan, block copolymers of ethylene glycol with hydrophobic polymers, alginic acid, organosilicon polymers, etc.
Гидрогели могут быть физически или химически сшитыми, оба варианта имеют как преимущества, так и недостатки. В химически сшитых гидрогелях узлы сетки связаны ковалентными связями, что делает материалы более прочными, однако такой вид сшивки предполагает применение сшивающих агентов, катализаторов или воздействие УФ. Все это делает методику получения довольно сложной, а также ставит вопрос о биосовместимости материалов, т.к. сшивающие агенты и катализаторы зачастую обладают высокой токсичностью. В случае физически сшитых гидрогелей силы, удерживающие трехмерную сетку, носят не ковалентный характер, а, как правило, сцепление происходит за счет гидрофобных взаимодействий, водородных связей, электростатического притяжения и т.д. Все это предполагает более простые методы получения и отсутствие потенциально токсичных сшивателей, однако существенным недостатком таких систем являются невысокие физико-механические характеристики. Часто такие материалы не способны поддерживать форму и имеют довольно низкие модули упругости, не сопоставимые с таковыми у нативных тканей организма. В связи с чем актуальным является разработка новых подходов получения гидрогелей, поиск новых материалов для создания биобезопасных прочных систем для потенциального применения в биомедицине.Hydrogels can be physically or chemically cross-linked, both options have their advantages and disadvantages. In chemically cross-linked hydrogels, the nodes of the network are linked by covalent bonds, which makes the materials stronger, but this type of cross-linking involves the use of cross-linking agents, catalysts, or UV exposure. All this makes the production method quite complex and also raises the question of the biocompatibility of the materials, since cross-linking agents and catalysts are often highly toxic. In the case of physically cross-linked hydrogels, the forces holding the three-dimensional network are not covalent in nature, but, as a rule, adhesion occurs due to hydrophobic interactions, hydrogen bonds, electrostatic attraction, etc. All this suggests simpler production methods and the absence of potentially toxic cross-linkers, but a significant disadvantage of such systems is their low physical and mechanical properties. Often, such materials are not able to maintain shape and have fairly low elastic moduli, not comparable with those of native body tissues. In this regard, the development of new approaches to obtaining hydrogels and the search for new materials for creating biosafe, durable systems for potential use in biomedicine are relevant.
Анализ российских и зарубежных патентов показал, что на данном этапе развития области глобально можно выделить 3 основных способа получения гидрогелевых материалов:An analysis of Russian and foreign patents showed that at this stage of development of the field, globally, it is possible to identify 3 main methods for obtaining hydrogel materials:
1) Химическая сшивка (около 29% исследованных патентов).1) Chemical cross-linking (about 29% of the patents studied).
2) Смешение компонентов с образованием гидрогеля (52%).2) Mixing the components to form a hydrogel (52%).
3) Циклы заморозки-оттаивания для получения криогелей (8%).3) Freeze-thaw cycles to obtain cryogels (8%).
Самыми часто используемыми высокомолекулярными соединениями для получения гидрогелей по результатам анализа известного уровня техники являются: хитозан (около 25% исследованных патентов), амфифильные блок-сополимеры этиленгликоля и капролактона и/или лактида и/или гликолида (22%), коллаген (13%), поливиниловый спирт (10%), целлюлоза (10%), полиакриламид (7%).The most frequently used high-molecular compounds for obtaining hydrogels, according to the results of the analysis of the known level of technology, are: chitosan (about 25% of the studied patents), amphiphilic block copolymers of ethylene glycol and caprolactone and/or lactide and/or glycolide (22%), collagen (13%), polyvinyl alcohol (10%), cellulose (10%), polyacrylamide (7%).
В патенте US 11680107 B2 раскрыт способ получения термочувствительных гидрогелей на основе амфифильных тройных и двойных блок-сополимеров этиленгликоля и лактид-со-гликолида различного состава. Смеси указанных сополимеров растворяли в фосфатно-солевом буфере (PBS) или трис-солевом буфере (TBS) при температуре 4°С (концентрации 15-25%). Полученные растворы термостатировали при температурах от 15 до 45°С для установления точки золь-гель перехода. По результатам реологических испытаний для всех образцов с концентрацией сополимеров 15% золь-гель переход выше 25°С. Такой метод приготовления гидрогелей достаточно простой, однако подходит только для сополимеров с небольшой молекулярной массой. Кроме того, результаты реологических испытаний демонстрируют очень низкие модули упругости (менее 100 Па). В качестве инжектируемых носителей лекарственных препаратов, как предлагают авторы патента, такой материал может быть использован, однако для создания тканеинженерных конструкций эти системы слишком не прочные.Patent US 11680107 B2 discloses a method for producing thermosensitive hydrogels based on amphiphilic triple and double block copolymers of ethylene glycol and lactide-co-glycolide of various compositions. Mixtures of the said copolymers were dissolved in phosphate-buffered saline (PBS) or tris-buffered saline (TBS) at 4°C (concentrations of 15-25%). The resulting solutions were thermostatted at temperatures from 15 to 45°C to establish the sol-gel transition point. According to the results of rheological tests for all samples with a copolymer concentration of 15%, the sol-gel transition is above 25°C. This method for preparing hydrogels is fairly simple, but is only suitable for copolymers with a low molecular weight. In addition, the results of rheological tests demonstrate very low elastic moduli (less than 100 Pa). As the authors of the patent propose, such material can be used as injectable carriers of medicinal preparations, however, these systems are too fragile for creating tissue-engineered structures.
В статьях [Bhatia S. R., Yin X., Hewitt D. R. О., Quah S. P., Zheng В., Mattei G. S., Khalifan P. G., Grubbs R. B. Soft Matter. V. 14. P. 7255-7263 (2018)] и [Surita R. Bhatia, Gregory N. Tew. Degrad. Polymers and Mater. V. 1114 (18). P. 313-324 (2012)] были получены гидрогелевые материалы на основе синтезированной серии тройных блок-сополимеров P(D,L)LA-PEG-P(D,L)LA (Mw=16,5-19,6 кДа, PDI=1,1-1,3) с различным соотношением D/L-звеньев. Способ получения включает диспергирование сополимеров в воде с последующим выдерживанием полученных суспензий при повышенной температуре. Изменение соотношения D/L дает нелинейное изменение модуля накоплений: при соотношениях 75/25 и 85/15 гидрогели более жесткие и обладают более высоким модулем, чем при 50/50 и 100/0. Авторы объясняют такое реологическое поведение конкуренцией между прочностью вследствие образования кристаллитов PLLA и уменьшением доли мостиковых цепей PEG. В случае соотношений 75/25 и 85/15 узлы в физической сетке гидрогеля являются полукристаллическими, т.е. присутствуют как аморфные домены, так мелкие или слабо упорядоченные кристаллиты. Такая структура дает достаточную подвижность проходным цепям гидрофильного блока для образования мостиковых структур. В зависимости от состава и концентрации значения модуля накоплений оказались в диапазоне 1-10 кПа.In the articles [Bhatia SR, Yin X., Hewitt DR O., Quah SP, Zheng B., Mattei GS, Khalifan PG, Grubbs RB Soft Matter. V. 14. P. 7255-7263 (2018)] and [Surita R. Bhatia, Gregory N. Tew. Degrad. Polymers and Mater. V. 1114 (18). P. 313-324 (2012)], hydrogel materials were obtained based on a synthesized series of triple block copolymers P(D,L)LA-PEG-P(D,L)LA (M w = 16.5-19.6 kDa, PDI = 1.1-1.3) with different ratios of D/L units. The production method involves dispersing the copolymers in water, followed by maintaining the resulting suspensions at an elevated temperature. Changing the D/L ratio results in a nonlinear change in the storage modulus: at ratios of 75/25 and 85/15, the hydrogels are more rigid and have a higher modulus than at 50/50 and 100/0. The authors explain this rheological behavior by the competition between the strength due to the formation of PLLA crystallites and the decrease in the proportion of PEG bridging chains. In the case of ratios of 75/25 and 85/15, the nodes in the physical network of the hydrogel are semicrystalline, i.e. both amorphous domains and small or weakly ordered crystallites are present. Such a structure provides sufficient mobility to the through chains of the hydrophilic block to form bridging structures. Depending on the composition and concentration, the storage modulus values were in the range of 1-10 kPa.
В патенте US 11884765 B2 раскрыт способ получения химически сшитых гидрогелей на основе амфифильных двойных и тройных блок-сополимеров этиленгликоля и капролактона, модифицированных акрилоилхлоридом. В качестве инициатора был использован водорастворимый фенил(2,4,6-триметилбензоил)фосфинат лития (LAP). Модифицированные блок-сополимеры растворяли в дистиллированной воде и смешивали с водным раствором LAP, полученную смесь помещали в соответствующую форму и инициировали процесс воздействием излучения видимого диапазона (395-405 нм). В результате были получены прозрачные и эластичные гидрогели. Такой метод сшивки имеет ряд преимуществ. LAP -биобезопасный цитосовместимый водорастворимый фотоинициатор, помимо этого данный инициатор запускает полимеризацию под воздействием излучения видимого диапазона, что безопаснее, чем УФ. Однако в целом данный метод получения довольно сложный и затратный, поскольку включает процесс модификации концевых групп сополимеров акрилоилхлоридом, а также синтез LAP (как указали авторы патента). Хотя LAP коммерчески доступный инициатор, его применение будет сильно повышать себестоимость таких гидрогелей. Также, несмотря на химическую сшивку, модули упругости указанных систем все равно остаются не высокими: до 32 кПа по результатам испытаний на сжатие.Patent US 11884765 B2 discloses a method for producing chemically cross-linked hydrogels based on amphiphilic double and triple block copolymers of ethylene glycol and caprolactone modified with acryloyl chloride. Water-soluble lithium phenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinate (LAP) was used as an initiator. The modified block copolymers were dissolved in distilled water and mixed with an aqueous solution of LAP, the resulting mixture was placed in an appropriate mold and the process was initiated by exposure to visible radiation (395-405 nm). As a result, transparent and elastic hydrogels were obtained. This cross-linking method has a number of advantages. LAP is a biosafe cytocompatible water-soluble photoinitiator, in addition, this initiator starts polymerization under the influence of visible radiation, which is safer than UV. However, in general, this method of production is quite complex and expensive, since it includes the process of modification of the end groups of copolymers with acryloyl chloride, as well as the synthesis of LAP (as indicated by the authors of the patent). Although LAP is a commercially available initiator, its use will greatly increase the cost of such hydrogels. Also, despite chemical crosslinking, the elastic moduli of these systems still remain low: up to 32 kPa according to the results of compression tests.
В патенте US 10011689 B2 раскрыт способ получения химически сшитых гидрогелей на основе амфифильных тройных блок-сополимеров этиленгликоля и лактид-со-гликолида, модифицированных акрилатными концевыми группами. В качестве инициатора сшивки используется достаточно токсичное и взрывоопасное соединение - азобисизобутиронитрил (AIBN), а сам процесс радикальной полимеризации протекает достаточно долго, после чего требуется длительная очистка от остаточного мономера, инициатора и т.д. Также полученные гидрогели имеют сравнительно низкие модули упругости не более 5 кПа.Patent US 10011689 B2 discloses a method for producing chemically cross-linked hydrogels based on amphiphilic triple block copolymers of ethylene glycol and lactide-co-glycolide modified with acrylate end groups. A fairly toxic and explosive compound, azobisisobutyronitrile (AIBN), is used as a cross-linking initiator, and the radical polymerization process itself takes quite a long time, after which long-term purification from residual monomer, initiator, etc. is required. Also, the obtained hydrogels have relatively low elastic moduli of no more than 5 kPa.
Схожие подходы к получению химически сшитых систем раскрыты в патентах US 2004077797 A1, CN 101845120 A.Similar approaches to obtaining chemically cross-linked systems are disclosed in patents US 2004077797 A1, CN 101845120 A.
В статье [Li S., Molina I., Martinez M.B., Vert M. J. Mater. Science: Mater. Medicine. V. 13. P. 81-86 (2002)] был раскрыт способ получения гидрогелевых материалов через органическую фазу на основе синтезированных блок-сополимеров P(D,L)LA-PEG-P(D,L)LA (Mn=45,8 кДа и Mn=78,9 кДа) с достаточно длинными гидрофильными и гидрофобными блоками. Для этого сополимеры растворяли при нагревании в тетраэтиленгликоле, после чего охлаждали до комнатной температуры и отмывали от исходного растворителя в дистиллированной воде. Полученные данным образом гидрогели способны поддерживать дискообразную форму, что свидетельствует о достаточно высоких значениях модуля упругости для подобных систем. Однако в данной работе не были изучены физико-механические характеристики полученных гидрогелей.In the article [Li S., Molina I., Martinez MB, Vert MJ Mater. Science: Mater. Medicine. V. 13. P. 81-86 (2002)] a method for obtaining hydrogel materials through an organic phase based on synthesized block copolymers P(D,L)LA-PEG-P(D,L)LA (M n =45.8 kDa and M n =78.9 kDa) with sufficiently long hydrophilic and hydrophobic blocks was disclosed. For this purpose, the copolymers were dissolved in tetraethylene glycol upon heating, after which they were cooled to room temperature and washed from the initial solvent in distilled water. The hydrogels obtained in this way are capable of maintaining a disc-shaped shape, which indicates sufficiently high values of the elastic modulus for such systems. However, the physicomechanical characteristics of the obtained hydrogels were not studied in this work.
Наиболее близким к настоящему изобретению является патент US 6350812 B1, в котором раскрывается способ получения физически сшитых гидрогелей на основе тройных блок-сополимеров лактида и этиленгликоля, за счет подбора состава высокомолекулярного соединения. Способ включает растворение блок-сополимеров в минимальном количестве ацетона (0,2 г образца в 0,4 или 0,8 мл растворителя), добавление дистиллированной воды (4 мл) и очистку от остаточного органического растворителя заменой воды, методом диализа или выпариванием ацетона. В результате был получен мягкий гидрогель. Данный метод по смыслу схож с заявляемым патентом, т.к. аналогично предполагает растворение блок-сополимера в органическом растворителе и его постепенную замену на дистиллированную воду за счет постепенного снижения концентрации растворителя. Недостатки прототипа: 1) частично ограниченный стенками сосуда объем раствора блок-сополимера может приводить к образованию довольно рыхлого и/или неспособного поддерживать форму гидрогелевого материала; 2) высокий градиент концентраций, т.к. контакт с водой будет преимущественно, с одной стороны, вследствие чего сетка гидрогеля будет формироваться не во всем объеме сразу. При проведении замены растворителя в диализном мешке, во-первых, ограничение объема органической фазы позволяет получать материалы определенной формы, которую они способны поддерживать длительное время. Во-вторых, ступенчатое снижение концентрации органического растворителя во внешнем растворе позволяет полимерным цепям оставаться подвижными длительное время, что способствует их большему упорядочению и более термодинамически равновесному протеканию процесса формирования гидрогелевой сетки. В-третьих, диффузия растворителя через поры диализного мешка происходит более равномерно по всему объему.The closest to the present invention is patent US 6,350,812 B1, which discloses a method for producing physically cross-linked hydrogels based on triple block copolymers of lactide and ethylene glycol by selecting the composition of the high-molecular compound. The method includes dissolving the block copolymers in a minimum amount of acetone (0.2 g of sample in 0.4 or 0.8 ml of solvent), adding distilled water (4 ml) and cleaning from residual organic solvent by replacing the water, by dialysis or by evaporating the acetone. As a result, a soft hydrogel was obtained. This method is similar in meaning to the claimed patent, since it similarly assumes dissolving the block copolymer in an organic solvent and gradually replacing it with distilled water by gradually reducing the concentration of the solvent. Disadvantages of the prototype: 1) the volume of the block copolymer solution partially limited by the vessel walls can lead to the formation of a rather loose and/or incapable of maintaining the shape of the hydrogel material; 2) a high concentration gradient, since the contact with water will be predominant, on the one hand, as a result of which the hydrogel network will not be formed in the entire volume at once. When replacing the solvent in the dialysis bag, firstly, limiting the volume of the organic phase allows obtaining materials of a certain shape, which they are able to maintain for a long time. Secondly, a stepwise decrease in the concentration of the organic solvent in the external solution allows the polymer chains to remain mobile for a long time, which contributes to their greater ordering and a more thermodynamically equilibrium flow of the process of hydrogel network formation. Thirdly, the diffusion of the solvent through the pores of the dialysis bag occurs more uniformly throughout the volume.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технической задачей изобретения является разработка биосовместимых и биоразлагаемых гидрогелей методом поэтапной замены органического растворителя на основе амфифильных тройных блок-сополимеров с широким диапазоном физико-механических характеристик для потенциальных применений в биомедицине.The technical task of the invention is to develop biocompatible and biodegradable hydrogels by the method of step-by-step replacement of an organic solvent based on amphiphilic triple block copolymers with a wide range of physical and mechanical characteristics for potential applications in biomedicine.
Техническим результатом является получение биосовместимых и биоразлагаемых гидрогелевых материалов на основе амфифильных тройных блок-сополимеров методом поэтапной замены органического растворителя с широким диапазоном модулей упругости от 7 кПа до 0,5 МПа.The technical result is the production of biocompatible and biodegradable hydrogel materials based on amphiphilic triple block copolymers by the method of step-by-step replacement of an organic solvent with a wide range of elastic moduli from 7 kPa to 0.5 MPa.
Для достижения технического результата предложен способ получения биосовместимых и биоразлагаемых гидрогелей методом поэтапной замены растворителя, характеризующийся тем, что включает: стадию приготовления 15-20 масс. % раствора или растворов амфифильных тройных блок-сополимеров полилактидов или полилактонов с полиэтиленгликолем в органическом растворителе с последующим введением полученного раствора в диализный мешок с размером пор от 3,5 до 5,0 кДа и диаметром 6-10 мм, стадию диализа полученного раствора блок-сополимера в 80 масс. % растворе органического растворителя с дистиллированной водой с удельной электропроводностью не более 10-4 См/см в стакане объемом 0,5-1 л в течение 5-7 суток при постоянном перемешивании с поэтапным снижением концентрации органического растворителя на 5-10 масс. % в час до полной замены на дистиллированную воду и завершения процесса самоорганизации с образованием физической сетки гидрогеля и удаления остаточного органического растворителя, при этом растворитель должен отвечать 2 условиям: хорошо растворять оба блока в составе сополимера, т.е. быть неселективным растворителем, и хорошо смешиваться с водой в любых соотношениях.In order to achieve the technical result, a method for producing biocompatible and biodegradable hydrogels by a step-by-step solvent replacement method is proposed, characterized in that it includes: a stage of preparing a 15-20 wt. % solution or solutions of amphiphilic triple block copolymers of polylactides or polylactones with polyethyleneglycol in an organic solvent, followed by introducing the resulting solution into a dialysis bag with a pore size of 3.5 to 5.0 kDa and a diameter of 6-10 mm, a stage of dialysis of the resulting block copolymer solution in an 80 wt. % solution of an organic solvent with distilled water with a specific electrical conductivity of no more than 10 -4 S/cm in a 0.5-1 l beaker for 5-7 days with constant stirring with a step-by-step decrease in the concentration of the organic solvent by 5-10 wt. % per hour until complete replacement with distilled water and completion of the self-organization process with the formation of a physical hydrogel network and removal of residual organic solvent, while the solvent must meet 2 conditions: dissolve both blocks in the copolymer well, i.e. be a non-selective solvent, and mix well with water in any proportions.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что получаемые данными способами гидрогели имеют преимущественно цилиндрическую форму с четкими границами, что подтверждает возможность получать материалы любых форм и размеров в зависимости от потенциального применения. Варьируя степень полимеризации гидрофильного и гидрофобных блоков сополимера, его степень кристалличности можно получать материалы с широким диапазоном модулей упругости от 7 кПа до 0,5 МПа. Структура гидрогелей устойчива при нормальных условиях.The combination of the above essential features leads to the fact that the hydrogels obtained by these methods have a predominantly cylindrical shape with clear boundaries, which confirms the possibility of obtaining materials of any shape and size depending on the potential application. By varying the degree of polymerization of the hydrophilic and hydrophobic blocks of the copolymer, its degree of crystallinity, it is possible to obtain materials with a wide range of elasticity moduli from 7 kPa to 0.5 MPa. The structure of the hydrogels is stable under normal conditions.
Поэтапная замена растворителя способствует длительному сохранению подвижности полимерных цепей и их большему упорядочению, приближая условия процесса формирования гидрогелевой сетки к более равновесным.The step-by-step replacement of the solvent promotes long-term preservation of the mobility of polymer chains and their greater ordering, bringing the conditions of the process of formation of the hydrogel network closer to more equilibrium.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Фиг. 1 - Схема получения гидрогелевых материалов.Fig. 1 - Scheme for obtaining hydrogel materials.
Осуществление и пример реализации изобретенияImplementation and example of implementation of the invention
Способ получения биосовместимых и биоразлагаемых гидрогелей методом поэтапной замены растворителя состоит из следующих этапов:The method for obtaining biocompatible and biodegradable hydrogels by the method of step-by-step solvent replacement consists of the following stages:
1) Приготовление растворов амфифильных тройных блок-сополимеров в органическом растворителе.1) Preparation of solutions of amphiphilic triple block copolymers in an organic solvent.
2) Диализ в смесевом растворителе.2) Dialysis in a mixed solvent.
3) Извлечение гидрогелей.3) Extraction of hydrogels.
4) Контроль характеристик материалов.4) Control of material characteristics.
Амфифильные тройные блок-сополимеры включают биосовместимые гидрофильный и гидрофобные блоки. В качестве амфифильного тройного блок-сополимера полилактидов или полилактонов с полиэтиленгликолем используются амфифильные тройные блок-сополимеры с аморфными гидрофобными блоками, полукристаллическими гидрофобными блоками или полукристаллическими гидрофобными блоками с противоположными конфигурациями.Amphiphilic triple block copolymers include biocompatible hydrophilic and hydrophobic blocks. Amphiphilic triple block copolymers with amorphous hydrophobic blocks, semicrystalline hydrophobic blocks or semicrystalline hydrophobic blocks with opposite configurations are used as amphiphilic triple block copolymers of polylactides or polylactones with polyethyleneglycol.
В качестве гидрофобного блока может быть выбран полимер из следующей группы: полигликолид (PGA), полилактид (PLA), поликапролактон (PCL) и их статистические сополимеры поли(лактид-со гликолид) (PLGA), поли(лактид-со-капролактон) (PCLA). В качестве гидрофильного блока - полиэтиленгликоль (PEG). В предпочтительном варианте используются тройные блок-сополимеры лактида и этиленгликоля (PLA-PEG-PLA). В качестве амфифильных тройных блок-сополимеров используются P(L или D или D,L)LA-b-PEG-b-P(L или D или D,L)LA с различными степенями полимеризации гидрофильного и гидрофобных блоков.A polymer from the following group can be selected as a hydrophobic block: polyglycolide (PGA), polylactide (PLA), polycaprolactone (PCL) and their random copolymers poly(lactide-co-glycolide) (PLGA), poly(lactide-co-caprolactone) (PCLA). Polyethyleneglycol (PEG) can be selected as a hydrophilic block. In a preferred embodiment, triple block copolymers of lactide and ethylene glycol (PLA-PEG-PLA) are used. P(L or D or D,L)LA-b-PEG-b-P(L or D or D,L)LA with different degrees of polymerization of the hydrophilic and hydrophobic blocks are used as amphiphilic triple block copolymers.
Органические растворители, которые могут быть использованы для приготовления растворов блок-сополимеров, должны отвечать 2 условиям: хорошо растворять оба блока в составе сополимера, т.е. быть неселективными растворителями, и хорошо смешиваться с водой в любых соотношениях. Возможные растворители: 1,4-диоксан, ДМСО, ацетон, ТГФ. В предпочтительном варианте используется 1,4-диоксан.Organic solvents that can be used to prepare solutions of block copolymers must meet two conditions: dissolve both blocks in the copolymer well, i.e. be non-selective solvents, and mix well with water in any proportions. Possible solvents: 1,4-dioxane, DMSO, acetone, THF. In the preferred embodiment, 1,4-dioxane is used.
Приготовление растворов амфифильных тройных блок-сополимеров в органическом растворителеPreparation of solutions of amphiphilic triple block copolymers in an organic solvent
Для приготовления раствора амфифильного тройного блок-сополимера в органическом растворителе берут пробирку типа эппендорф или виалу с крышкой, в которой растворяют амфифильный тройной блок-сополимер в органическом растворителе с получением раствора с концентрацией блок-сополимера 15-20 масс. %. Полученный, как правило, вязкий раствор помещают в диализный мешок с размером пор от 3,5 до 5,0 кДа и диаметром 6-10 мм.To prepare a solution of the amphiphilic triple block copolymer in an organic solvent, take an Eppendorf tube or a vial with a lid, in which the amphiphilic triple block copolymer is dissolved in an organic solvent to obtain a solution with a block copolymer concentration of 15-20 wt.%. The resulting, as a rule, viscous solution is placed in a dialysis bag with a pore size of 3.5 to 5.0 kDa and a diameter of 6-10 mm.
Для приготовления раствора смеси амфифильных тройных блок-сополимеров с противоположными конфигурациями гидрофобных блоков (L и D) в органическом растворителе используют две разные пробирки типа эппендорф или виалы с крышкой, в которых растворяют амфифильные тройные блок-сополимеры в органическом растворителе с получением 15-20 масс. % растворов, которые затем смешивают для получения стереокомплексных структур. Полученный, как правило, вязкий раствор помещают в диализный мешок с размером пор от 3,5 до 5,0 кДа и диаметром 6-10мм.To prepare a solution of a mixture of amphiphilic triple block copolymers with opposite configurations of hydrophobic blocks (L and D) in an organic solvent, two different Eppendorf tubes or vials with a lid are used, in which the amphiphilic triple block copolymers are dissolved in an organic solvent to obtain 15-20 wt. % solutions, which are then mixed to obtain stereocomplex structures. The resulting, as a rule, viscous solution is placed in a dialysis bag with a pore size of 3.5 to 5.0 kDa and a diameter of 6-10 mm.
Диализ в смесевом растворителеMixed solvent dialysis
Диализный мешок с раствором амфифильного(-ых) тройного(-ых) блок-сополимера(-ов) помещают в стакан объемом 0,5-1 л с 80 масс. % раствором органического растворителя с дистиллированной водой с удельной электропроводностью не более 10-4 См/см. Диализ проводят в течение 5-7 суток при постоянном перемешивании с поэтапным снижением концентрации органического растворителя на 5-10 масс. % в час до полной замены на дистиллированную воду и завершения процесса самоорганизации с образованием физической сетки гидрогеля и удаления остаточного органического растворителя. Поэтапная замена растворителя способствует длительному сохранению подвижности полимерных цепей и их большему упорядочению, приближая условия процесса формирования гидрогелевой сетки к более равновесным.A dialysis bag with a solution of amphiphilic triple block copolymer(s) is placed in a 0.5-1 l beaker with 80 wt. % solution of organic solvent with distilled water with a specific electrical conductivity of no more than 10 -4 S/cm. Dialysis is carried out for 5-7 days with constant stirring with a gradual decrease in the concentration of organic solvent by 5-10 wt. % per hour until complete replacement with distilled water and completion of the self-organization process with the formation of a physical hydrogel network and removal of residual organic solvent. The step-by-step replacement of the solvent contributes to the long-term preservation of the mobility of polymer chains and their greater ordering, bringing the conditions of the process of formation of the hydrogel network closer to more equilibrium.
Извлечение гидрогелейExtraction of hydrogels
После завершения диализа полученные гидрогели извлекают из диализных мешков для дальнейших исследований. Контроль характеристик материалов.After completion of dialysis, the resulting hydrogels are removed from the dialysis bags for further studies. Control of material characteristics.
Контроль характеристик материала осуществляют согласно техническим требованиям на выпускаемую продукцию.Control of material characteristics is carried out in accordance with technical requirements for manufactured products.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют варианты заявленного изобретения, но не ограничивают его.The examples below illustrate variants of the claimed invention, but do not limit it.
Пример 1Example 1
В пластиковом виале растворяют 0,8 г амфифильного тройного блок-сополимера P(D,L)LA101-PEG136-P(D,L)LA101, где нижний индекс указывает степень полимеризации блока, с молекулярной массой 20,5 кДа и аморфными гидрофобными блоками в 3,2 г 1,4-диоксана («Компонент-реактив»). Полученный 20 масс. % раствор помещают в диализный мешок диаметром 6 мм и размером пор 3,5 кДа («Orange Scientific»), который погружают в стакан объемом 1 л со смесевым растворителем 80 масс. % 1,4-диоксана в дистиллированной воде с удельной электропроводностью 10-4 См/см. Диализ проводят в течение 5 суток при постоянном перемешивании с поэтапным снижением концентрации органического растворителя на 10 масс. % в час до полной замены на дистиллированную воду и завершения процесса самоорганизации с образованием физической сетки гидрогеля и удаления остаточного органического растворителя. После окончания процесса диализа полученный гидрогель извлекают из диализного мешка. Модуль упругости полученного гидрогелевого материала составил 16 кПа.In a plastic vial, 0.8 g of the amphiphilic triple block copolymer P(D,L)LA 101 -PEG 136 -P(D,L)LA 101 , where the subscript indicates the degree of polymerization of the block, with a molecular weight of 20.5 kDa and amorphous hydrophobic blocks is dissolved in 3.2 g of 1,4-dioxane (Komponent-reaktiv). The resulting 20 wt. % solution is placed in a dialysis bag with a diameter of 6 mm and a pore size of 3.5 kDa (Orange Scientific), which is immersed in a 1 L beaker with a mixed solvent of 80 wt. % 1,4-dioxane in distilled water with a specific conductivity of 10 -4 S/cm. Dialysis is carried out for 5 days with constant stirring with a step-by-step decrease in the concentration of the organic solvent by 10 wt. % per hour until complete replacement with distilled water and completion of the self-organization process with the formation of a physical hydrogel network and removal of residual organic solvent. After completion of the dialysis process, the resulting hydrogel is removed from the dialysis bag. The elastic modulus of the resulting hydrogel material was 16 kPa.
Пример 2Example 2
В пластиковом виале растворяют 0,8 г амфифильного тройного блок-сополимера P(L)LA66-PEG136-P(L)LA66, где нижний индекс указывает степень полимеризации блока, с молекулярной массой 15,5 кДа и полукристаллическими гидрофобными блоками в 3,2 г 1,4-диоксана («Компонент-реактив»). Полученный 20 масс. % раствор помещают в диализный мешок диаметром 10 мм и размером пор 3,5 кДа («Orange Scientific))), который погружают в стакан объемом 0,5 л со смесевым растворителем 80 масс. % 1,4-диоксана в дистиллированной воде с удельной электропроводностью 10-4 См/см. Диализ проводят в течение 7 суток при постоянном перемешивании с поэтапным снижением концентрации органического растворителя на 5 масс. % в час до полной замены на дистиллированную воду и завершения процесса самоорганизации с образованием физической сетки гидрогеля и удаления остаточного органического растворителя. После окончания процесса диализа полученный гидрогель извлекают из диализного мешка. Модуль упругости полученного гидрогелевого материала составил 140 кПа.In a plastic vial, 0.8 g of the amphiphilic triple block copolymer P(L)LA 66 -PEG 136 -P(L)LA 66 , where the subscript indicates the degree of block polymerization, with a molecular weight of 15.5 kDa and semicrystalline hydrophobic blocks is dissolved in 3.2 g of 1,4-dioxane (Komponent-reaktiv). The resulting 20 wt. % solution is placed in a dialysis bag with a diameter of 10 mm and a pore size of 3.5 kDa (Orange Scientific))), which is immersed in a 0.5 L beaker with a mixed solvent of 80 wt. % 1,4-dioxane in distilled water with a specific conductivity of 10 -4 S/cm. Dialysis is carried out for 7 days with constant stirring with a step-by-step decrease in the concentration of the organic solvent by 5 wt. % per hour until complete replacement with distilled water and completion of the self-organization process with the formation of a physical hydrogel network and removal of residual organic solvent. After completion of the dialysis process, the resulting hydrogel is removed from the dialysis bag. The elastic modulus of the resulting hydrogel material was 140 kPa.
Пример 3Example 3
В пластиковом виале растворяют 0,8 г амфифильного тройного блок-сополимера P(L)LA26-PEG104-P(L)LA26, где нижний индекс указывает степень полимеризации блока, с молекулярной массой 9,0 кДа и полукристаллическими гидрофобными блоками в 3,2 г 1,4-диоксана («Компонент-реактив»). Полученный 20 масс. % раствор помещают в диализный мешок диаметром 10 мм и размером пор 3,5 кДа («Orange Scientific))), который погружают в стакан объемом 1 л со смесевым растворителем 80 масс. % 1,4-диоксана в дистиллированной воде с удельной электропроводностью 10-4 См/см. Диализ проводят в течение 6 суток при постоянном перемешивании с поэтапным снижением концентрации органического растворителя на 7 масс. % в час до полной замены на дистиллированную воду (10-4 См/см) и завершения процесса самоорганизации с образованием физической сетки гидрогеля и удаления остаточного органического растворителя. После окончания процесса диализа полученный гидрогель извлекают из диализного мешка. Модуль упругости полученного гидрогелевого материала составил 187 кПа.In a plastic vial, 0.8 g of the amphiphilic triple block copolymer P(L)LA 26 -PEG 104 -P(L)LA 26 , where the subscript indicates the degree of block polymerization, with a molecular weight of 9.0 kDa and semicrystalline hydrophobic blocks is dissolved in 3.2 g of 1,4-dioxane (Komponent-reaktiv). The resulting 20 wt. % solution is placed in a dialysis bag with a diameter of 10 mm and a pore size of 3.5 kDa (Orange Scientific))), which is immersed in a 1 L beaker with a mixed solvent of 80 wt. % 1,4-dioxane in distilled water with a specific conductivity of 10 -4 S/cm. Dialysis is carried out for 6 days with constant stirring with a step-by-step decrease in the concentration of the organic solvent by 7 wt. % per hour until complete replacement with distilled water (10 -4 S/cm) and completion of the self-organization process with the formation of a physical hydrogel network and removal of residual organic solvent. After completion of the dialysis process, the resulting hydrogel is removed from the dialysis bag. The elastic modulus of the resulting hydrogel material was 187 kPa.
Пример 4Example 4
В двух пластиковых виалах отдельно растворяют по 0,4 г амфифильных тройных блок-сополимеров P(L)LA38-PEG136-P(L)LA38 и P(D)LA38-PEG136-P(D)LA38, где нижний индекс указывает степень полимеризации блока, с молекулярной массой 11,5 кДа и полукристаллическими гидрофобными блоками противоположной конфигурации в 1,6 г 1,4-диоксана («Компонент-реактив»). Полученные 20 масс. % растворы смешивают в массовом соотношении 1:1, помещают в диализный мешок диаметром 10 мм и размером пор 5 кДа («Orange Scientific»), который погружают в стакан объемом 1 л со смесевым растворителем 80 масс. % 1,4-диоксана в дистиллированной воде с удельной электропроводностью 10-4 См/см. Диализ проводят в течение 6 суток при постоянном перемешивании с поэтапным снижением концентрации органического растворителя на 7 масс. % в час до полной замены на дистиллированную воду и завершения процесса самоорганизации с образованием физической сетки гидрогеля и удаления остаточного органического растворителя. После окончания процесса диализа полученный гидрогель извлекают из диализного мешка. Модуль упругости полученного гидрогелевого материала составил 73 кПа.In two plastic vials, 0.4 g of amphiphilic triple block copolymers P(L)LA 38 -PEG 136 -P(L)LA 38 and P(D)LA 38 -PEG 136 -P(D)LA 38 , where the subscript indicates the degree of block polymerization, with a molecular weight of 11.5 kDa and semicrystalline hydrophobic blocks of the opposite configuration are separately dissolved in 1.6 g of 1,4-dioxane (Component-reagent). The resulting 20 wt. % solutions are mixed in a weight ratio of 1:1, placed in a dialysis bag with a diameter of 10 mm and a pore size of 5 kDa (Orange Scientific), which is immersed in a 1 L beaker with a mixed solvent of 80 wt. % 1,4-dioxane in distilled water with a specific conductivity of 10 -4 S/cm. Dialysis is carried out for 6 days with constant stirring with a gradual decrease in the concentration of the organic solvent by 7 mass % per hour until complete replacement with distilled water and completion of the self-organization process with the formation of a physical network of the hydrogel and removal of the residual organic solvent. After completion of the dialysis process, the resulting hydrogel is removed from the dialysis bag. The elastic modulus of the resulting hydrogel material was 73 kPa.
Пример 5Example 5
В пластиковом виале растворяют 0,8 г амфифильного тройного блок-сополимера P(L)LA210-PEG272-P(L)LA210, где нижний индекс указывает степень полимеризации блока, с молекулярной массой 42,2 кДа и полукристаллическими гидрофобными блоками в 3,2 г 1,4-диоксана («Компонент-реактив»). Полученный 20 масс. % раствор помещают в диализный мешок диаметром 6 мм и размером пор 5 кДа («Orange Scientific»), который погружают в стакан объемом 1 л со смесевым растворителем 80 масс. % 1,4-диоксана в дистиллированной воде с удельной электропроводностью 10-4 См/см. Диализ проводят в течение 5 суток при постоянном перемешивании с поэтапным снижением концентрации органического растворителя на 10 масс. % в час до полной замены на дистиллированную воду и завершения процесса самоорганизации с образованием физической сетки гидрогеля и удаления остаточного органического растворителя. После окончания процесса диализа полученный гидрогель извлекают из диализного мешка. Модуль упругости полученного гидрогелевого материала составил 330 кПа.In a plastic vial, 0.8 g of the amphiphilic triple block copolymer P(L)LA 210 -PEG 272 -P(L)LA 210 , where the subscript indicates the degree of block polymerization, with a molecular weight of 42.2 kDa and semicrystalline hydrophobic blocks is dissolved in 3.2 g of 1,4-dioxane (Komponent-reaktiv). The resulting 20 wt. % solution is placed in a dialysis bag with a diameter of 6 mm and a pore size of 5 kDa (Orange Scientific), which is immersed in a 1 L beaker with a mixed solvent of 80 wt. % 1,4-dioxane in distilled water with a specific conductivity of 10 -4 S/cm. Dialysis is carried out for 5 days with constant stirring with a step-by-step decrease in the concentration of the organic solvent by 10 wt. % per hour until complete replacement with distilled water and completion of the self-organization process with the formation of a physical hydrogel network and removal of residual organic solvent. After completion of the dialysis process, the resulting hydrogel is removed from the dialysis bag. The elastic modulus of the resulting hydrogel material was 330 kPa.
Таким образом, предложенный способ получения биосовместимых и биоразлагаемых гидрогелей позволяет получать гидрогели преимущественно цилиндрической формы, с четкими границами, структура которых устойчива при нормальных условиях, с широким диапазоном модулей упругости от 7 кПа до 0,5 МПа, что расширяет спектр возможных применений таких материалов в биомедицинской области.Thus, the proposed method for obtaining biocompatible and biodegradable hydrogels allows obtaining hydrogels of predominantly cylindrical shape, with clear boundaries, the structure of which is stable under normal conditions, with a wide range of elastic moduli from 7 kPa to 0.5 MPa, which expands the range of possible applications of such materials in the biomedical field.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2842966C1 true RU2842966C1 (en) | 2025-07-04 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6350812B1 (en) * | 1995-11-29 | 2002-02-26 | Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) | Hydrogels containing triblock copolymers, and preparation and use thereof |
| WO2017036597A1 (en) * | 2015-09-01 | 2017-03-09 | Merz Pharma Gmbh & Co. Kgaa | Method of making a cross-linked polymer gel and device for performing the method |
| RU2640911C2 (en) * | 2012-06-15 | 2018-01-12 | Мерц Фарма Гмбх Унд Ко. Кгаа | Method for obtaining of composition based on hyaluronic acid |
| RU2743941C1 (en) * | 2020-07-29 | 2021-03-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Method for producing biopolymeric hydrogel |
| US11680107B2 (en) * | 2019-03-22 | 2023-06-20 | Taipei Medical University | Hydrogel composition for drug delivery and uses thereof |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6350812B1 (en) * | 1995-11-29 | 2002-02-26 | Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) | Hydrogels containing triblock copolymers, and preparation and use thereof |
| RU2640911C2 (en) * | 2012-06-15 | 2018-01-12 | Мерц Фарма Гмбх Унд Ко. Кгаа | Method for obtaining of composition based on hyaluronic acid |
| WO2017036597A1 (en) * | 2015-09-01 | 2017-03-09 | Merz Pharma Gmbh & Co. Kgaa | Method of making a cross-linked polymer gel and device for performing the method |
| US11680107B2 (en) * | 2019-03-22 | 2023-06-20 | Taipei Medical University | Hydrogel composition for drug delivery and uses thereof |
| RU2743941C1 (en) * | 2020-07-29 | 2021-03-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Method for producing biopolymeric hydrogel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Culebras et al. | Wood-derived hydrogels as a platform for drug-release systems | |
| Yu et al. | Ultrathin κ-carrageenan/chitosan hydrogel films with high toughness and antiadhesion property | |
| Fan et al. | Preparation and characterization of chitosan/gelatin/PVA hydrogel for wound dressings | |
| Kundu et al. | Silk fibroin/poly (vinyl alcohol) photocrosslinked hydrogels for delivery of macromolecular drugs | |
| Garg et al. | Hydrogel: Classification, properties, preparation and technical features | |
| Yadav et al. | Emulsion templated scaffolds of poly (ε-caprolactone)–a review | |
| US6497902B1 (en) | Ionically crosslinked hydrogels with adjustable gelation time | |
| Cascone et al. | Effect of chitosan and dextran on the properties of poly (vinyl alcohol) hydrogels | |
| CN110078947A (en) | A kind of preparation method of composite gel microsphere, composite gel microsphere and its application | |
| Zhang et al. | Photopolymerizable chitosan hydrogels with improved strength and 3D printability | |
| Kumar et al. | Synthetic polymer hydrogels | |
| WO2004072138A1 (en) | Polymer gel containing biocompatible material, dry gel, and process for producing polymer gel | |
| CN108409988B (en) | A kind of preparation method of spongy macroporous polyvinyl alcohol hydrogel | |
| Zhou et al. | Photopolymerized water-soluble maleilated chitosan/methacrylated poly (vinyl alcohol) hydrogels as potential tissue engineering scaffolds | |
| Liu et al. | Superabsorbent Sponge and membrane prepared by polyelectrolyte complexation of Carboxymethyl cellulose/hydroxyethyl cellulose-Al3+ | |
| Dou et al. | A new light triggered approach to develop a micro porous tough hydrogel | |
| Wang et al. | A Carbodiimide Cross‐Linked Silk Fibroin/Sodium Alginate Composite Hydrogel with Tunable Properties for Sustained Drug Delivery | |
| Wu et al. | Enzymatically degradable oxidized dextran–chitosan hydrogels with an anisotropic aligned porous structure | |
| Liu et al. | Tunable tissue scaffolds fabricated by in situ crosslink in phase separation system | |
| Aghajanzadeh et al. | In situ forming aldehyde-modified xanthan/gelatin hydrogel for tissue engineering applications: synthesis, characterization, and optimization | |
| CN110698719A (en) | Preparation of polyvinyl alcohol-based hydrogel | |
| Kohn et al. | Dual-component collagenous peptide/reactive oligomer hydrogels as potential nerve guidance materials–from characterization to functionalization | |
| Bozbay et al. | Tuning physicomechanical properties of PEG-interpenetrated anionically modified semi-IPN cryogels functionalized with carboxylate groups | |
| RU2842966C1 (en) | Method of producing biocompatible and biodegradable hydrogels by step-by-step solvent replacement | |
| RU2837620C1 (en) | Method of producing biocompatible and biodegradable hydrogels by solvent replacement method |