Получение и исследование волокнистых и пленочных материалов на основе полигидроксибутирата

Актуальность работы. Хирургические нити используют при каждой хирургической операции для ушивания различных тканей. Создание нитей, наиболее полно отвечающих требованиям современной хирургии, является актуальной проблемой и особенно остро она стоит в России, где ассортимент нитей, предлагаемых отечественной промышленностью, намного уже, чем за рубежом [1]. Требования к хирургическим нитям разнообразны: при достаточной механической прочности, главным образом, в узле, они должны быть атравматичными, то есть максимально щадить ушиваемые ткани, не нарушать кровоснабжения, не вызывать развитие некрозов, воспалений, при этом последнее достигается стерилизацией, снижением капиллярности и приданием пролонгированных бактерицидных свойств. Важными свойствами являются тонина, биосовместимость, нетоксичность, в ряде случаев биодеградируемость нитей, а также цвет, облегчающий их визуализацию в раневом поле, и др. В большой степени указанным требованиям отвечают нити со структурой «ядро-оболочка», получаемые нанесением на их поверхность лекарственнона-полненного покрытия из биосовместимого полимера. При рациональном выборе состава и толщины оболочки этот простой метод позволяет существенно улучшать комплекс свойств используемых в настоящее время нитей из синтетических полимеров [2].

Целесообразность использования полимера микробиологического происхождения полигидроксибутирата (ПГБ) для нанесения оболочки на хирургические нити обусловлена его биосовместимостью, биодеградируемостью и абсолютной безвредностью для организма. Кроме того, ПГБ выдерживает необходимые условия стерилизации практически без ухудшения свойств, хорошо растворяется в доступных летучих растворителях, что облегчает формирование из его растворов покрытий заданной толщины, а метод отверждения растворов позволяет регулировать их надмолекулярную и пористую структуру. Промышленное освоение ПГБ сейчас начато в России и наряду с уже используемыми полиоксиалканоатами полиглико-лидом и полилактидом он является перспективным полимером для создания различных изделий медицинского назначения.

Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научных исследований кафедры технологии химических волокон и наноматериалов МГТУ им.

А.Н.Косыгина в рамках комплексного проекта Минобрнауки ЖС-КП.4/002: «Разработка и подготовка промышленного освоения технических ферментных препаратов для целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности, биосвязующих и биологически совместимых пластиков, отвечающих современному мировому уровню развития биотехнологии и промышленной микробиологии» (головной исполнитель ИНБИ имени А. Н. Баха РАН).

Целью диссертационной работы является разработка способа получения хирургических нитей с оболочкой из полигидроксибутирата, обладающих улучшенным комплексом свойств. Для этого необходимо было:

— разработать условия нанесения равномерного покрытия на хирургические нити, устойчивого к перегибам и манипуляциям с нитью;

— установить влияние природы и структуры исходных нитей, толщины и состава формируемой оболочки на основные свойства хирургических нитей: прочность, жесткость, капиллярность, надежность узлов и биологическую активность;

— оптимизировать состав оболочки из ПГБ и условия ее нанесения, при которых модифицированная нить наиболее полно отвечает предъявляемым требованиям.

Научная новизна работы.

Впервые показана возможность получения хирургических нитей со структурой «ядро-оболочка» на основе синтетических волокнообразующих полимеров по-лиэтилентерефталата и поликапроамида и полигидроксибутирата, высокое критическое поверхностное натяжение которых обеспечивает прочность адгезии оболочки и ядра.

Показано, что пониженная капиллярность, приобретаемая нитью в результате нанесения на ее поверхность покрытия из ПГБ, достигается главным образом за счет гидрофобизации поверхности волокна и в значительно меньшей мере за счет заполнения полимером межволоконного пространства. Впервые описано влияние стороны контакта хирургических нитей с жидкой средой на проявляемую капиллярность.

Установлена зависимость транспортных свойств оболочки из полигидроксибутирата по отношению к иммобилизованному низкомолекулярному биологически активному веществу от условий получения и хранения модифицированных нитей и упорядочения надмолекулярной структуры ПГБ. Показано, что подавление процессов самоорганизации надмолекулярной структуры полимера, стабилизация его транспортных свойств и антимикробной активности нитей достигаются при использовании более высокомолекулярного ПГБ и его смесей с другими полимерами, а также при снижении температуры хранения.

Практическая значимость работы.

Разработаны состав покрытия для хирургических нитей на основе полигид-роксибутирата и условия получения и хранения модифицированных нитей, обладающих улучшенным комплексом свойств: повышенными биосовместимостью и прочностью хирургических узлов, пониженной капиллярностью и пролонгированным антимикробным действием. Предложенный способ и установленные закономерности модифицирования нитей являются основой для создания их производства и расширения ассортимента данного вида изделий.

Апробация работы.

Результаты работы были доложены на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности Текстиль 2005» (Москва 2005 г.) и «Текстиль-2006» (Москва 2006), XVI Менделеевской конференции-олимпиаде молодых ученых (Уфа 2006 г.), Всероссийской студенческой олимпиаде «Технология химических волокон и композиционных материалов на их основе» (Санкт Петербург 2006 г.), III Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах Фагран-2006» (Воронеж 2006 г.), на конференции молодых ученых ИНБИ им. А. Н. Баха (Москва 2006 г.), 1-й международной конференции «Современные технологии и возможности реконструктивно-восстановитель-ной и эстетической хирургии», (Москва 2008 г.), Межвузовской научно-технической конференции: «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (Москва 2008 г.), III Международной научно-технической конференции «Достижения текстильной химии — в производство» (Иваново 2008 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 5 статей и 4 тезисов докладов на научных конференциях.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, методической части, раздела с обсуждением результатов, выводов, списка использованной литературы. Диссертация содержит 138 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 28 таблиц, библиографию из 125 наименований и 20 страниц приложения.

Основные выводы.

1. Разработана технологическая схема и лабораторная установка для нанесения на хирургические нити оболочки из ПГБ. Оптимизация условий нанесения покрытия проведена построением регрессионных полиномных математических моделей второго порядка, описывающих закономерности процесса. Адекватность уравнений регрессии делает построенные математические модели хорошим инструментом для анализа многофакторных закономерностей с большим набором экспериментальных данных.

2. Показано, что равномерное покрытие достигается при содержании полимера-модификатора в количестве 5% от массы нити. Верхний предел содержания оболочки 15% ограничивается диаметром, при котором модифицированная нить переходит в следующий MP с более высоким прочностными требованиями ЕР.

3. Установлено, что нанесение ПГБ оболочки не уменьшает, а в некоторых случаях увеличивает абсолютную прочность модифицированных нитей. Относительное разрывное удлинение нитей увеличивается, а относительная прочность в узле уменьшается прямопропорционально содержанию оболочки.

4. Показана возможность снижения жесткости и улучшения манипуляционных свойств нитей введением в оболочку пластифицирующих веществ.

5. Впервые показано, что нанесение полимерной оболочки не уменьшает удерживающую способность хирургических узлов, и увеличивает степень надежности подавляющего большинства хирургических узлов. Улучшение характеристик узлов на модифицированных нитях позволяет использовать на них менее сложные узлы, сократить расход нити и снизить риск инфицирования хирургического шва.

6. Модифицирование нитей покрытием из ПГБ приводит к заметному снижению их капиллярности, что должно положительно сказаться на течении процесса заживления хирургических швов. Снижение капиллярности обеспечено гид-рофобизацией поверхности нитей и вне зависимости от природы исходных нитей происходит при достижении краевого угла смачивания стенок капилляра 89.8° и выше. Нити, контактирующие с жидкой средой торцом, проявляют капиллярность в 2.5−3.5 раза выше, чем при контакте боковой поверхностью.

7. Установлено, что оптимальная антимикробная активность (ЗЗР 2−4мм) и пролонгированный эффект действия антимикробного вещества (7−14 сут.), достигаются двукратным нанесением покрытия в количестве 10−12% от массы нити, в состав которого входит 2−7% ФЗ.

8. Показано, что при хранении модифицированных нитей при комнатной температуре в оболочке протекают структурные изменения, ухудшающие ее транспортные свойства по отношению к антимикробному веществу. Влияние структурных изменений нивелируется введением в оболочку нити второго биосовместимого полимера и хранением нитей при пониженной температуре.