eng
Выпуск #7-8/2019
Т.М.Васильева, Е.В.Кочурова, Е.О.Кудасова, Р.А.Акасов, Хтет Вэй Ян Чжо, Хтет Ко Ко Зау
Применение низкотемпературной плазмы пониженного давления в клинической медицине и фармацевтике
Применение низкотемпературной плазмы пониженного давления в клинической медицине и фармацевтике
Просмотры: 2331
Описаны генераторы электронно-пучковой плазмы и гибридной плазмы, предназначенные для модификации (био)полимерных материалов, используемых в медицине. Приводятся данные о морфологии поверхности, химической структуре и биологической активности модифицированных полимеров.
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.7-8.434.442
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.7-8.434.442
Теги: bioactivity biopolymer materials low-temperature plasma modified polymers биологическая активность биополимерные материалы модифицированные полимеры низкотемпературная плазма
ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ В КЛИНИЧЕСКОЙ МЕДИЦИНЕ И ФАРМАЦЕВТИКЕ
APPLICATION OF LOW-TEMPERATURE LOW PRESSURE PLASMA IN CLINICAL MEDICINE AND PHARMACEUTICS
Т.М.Васильева1, д.т.н., проф., (ORCID: 0000-0001-6103-6195), Е.В.Кочурова2, д.мед.н., проф., (ORCID: 0000-0002-6033-3427), Е.О.Кудасова2, к.мед.н., ассистент МГМУ, (ORCID: 0000-0002-2603-3834), Р.А.Акасов3, к.б.н., ст. науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-6486-8114), Хтет Вэй Ян Чжо1, аспирант, (ORCID: 0000-0002-5221-4532), Хтет Ко Ко Зау1, аспирант, (ORCID: 0000-0002-8552-4633) / tmvasilieva@gmail.com
T.M.Vasilieva1, Doctor of Sc. (Technical), Prof., (ORCID: 0000-0001-6103-6195), E.V.Kochurova2, Doctor of Sc. (Medical), Prof., (ORCID: 0000-0002-6033-3427), Е.О.Kudasova2, Cand. of Sc. (Medical), Assistant professor, (ORCID: 0000-0002-2603-3834), R.A.Akasov3, Senior Researcher, Cand. of Sc. (Biological), (ORCID: 0000-0001-6486-8114), Htet Wai Yan Kyaw1, Post-Graduate, (ORCID: 0000-0002-5221-4532), Htet Ko Ko Zaw1, Post-Graduate, (ORCID: 0000-0002-8552-4633)
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.7-8.434.442
Получено: 06.10.2019 г.
Описаны генераторы электронно-пучковой плазмы и гибридной плазмы, предназначенные для модификации (био)полимерных материалов, используемых в медицине. Приводятся данные о морфологии поверхности, химической структуре и биологической активности модифицированных полимеров.
Described are the generators of electron-beam plasma and hybrid plasma intended for the modification of (bio)polymeric materials used in medicine. Data on surface morphology, chemical structure and biological activity of modified polymers are presented.
ВВЕДЕНИЕ
К концу 20-го века различные типы низкотемпературной плазмы (НТП) стали находить свое практическое применение не только для многочисленных производственных технологий [1], но и в совершенно новых инновационных областях, таких как плазменная медицина.
По прогнозам VDI Technologiezentrum GmbH, Evaluierung Plasmatechnik (г. Дюссельдорф, Германия), именно эта сфера будет наиболее перспективной для разработки и внедрения плазменно-стимулированных процессов. Медицинские приложения НТП среди прочего включают модификацию поверхностей полимерных материалов с целью повышения их биосовместимости с тканями организма человека [2]. Изменяя заряд поверхности, обработка полимеров в НТП увеличивает абсорбцию адгезивных белков и иммобилизацию различных биологически активных молекул [3]. НТП-модификация поверхности, кроме того, влияет на ее морфологию, порождая различные наноразмерные структуры, которые служат точками привязки для специфических белков клеточной мембраны, тем самым улучшая адгезию клетки к обрабатываемой поверхности [3].
Наиболее изученной с точки зрения механизмов модификации полимерных материалов и изделий является НТП пониженного давления, причем чаще всего используется НТП газовых разрядов различных частотных диапазонов [4]. Известны и недостатки газоразрядных реакторов, ограничивающие их использование для данной задачи.
В первую очередь это трудности, связанные с формированием больших однородных реакционных объемов, что зачастую приводит к значительному разогреву плазмообразующей среды и помещенных в нее объектов. При интенсивной продувке газа через разряд возможна потеря устойчивости реакционного объема, а если используются электродные газоразрядные системы, то могут возникать технические проблемы, связанные с химической стойкостью самих электродов.
Привлечение других видов НПТ пониженного давления, таких как электронно-пучковая (ЭПП) и гибридная (ГП) плазма, позволяет преодолеть перечисленные недостатки.
Электронно-пучковая плазма (ЭПП) генерируется при инжекции электронного пучка (ЭП) в плотную газообразную среду. Геометрия, состав, температуры частиц и др. характеристики ЭПП определяются энергией электронов Eb, мощностью пучка Nb (Nb<1 кВт), а также давлением Pm (0,1 <Pm<10 кПа), температурой Tm плазмообразующей среды, а также ее химическим и фазовым составом. Изменяя мощность ЭП при постоянном давлении Pm (или, наоборот, изменяя давление газа при постоянной Nb), можно управлять режимами работы генератора ЭПП, и за счет этого контролируемым образом осуществлять различные неравновесные плазмохимические реакции. При этом температуру образца во время обработки удается поддерживать на заданном уровне, а снижение температуры процесса вплоть до комнатной практически не сказывается на высокой химической активности плазмы.
Гибридная плазма генерируется, когда на плазмообразующую среду совместно или попеременно воздействуют два (или более) ионизатора. В настоящем исследовании для формирования достаточно больших плазменных объемов в качестве основного ионизатора был использован электронный пучок, а дополнительным источником ионизации служил ВЧ-разряд с частотой 13,56 МГц. ГП обладает чрезвычайно важными дополнительными преимуществами – возможностью практически безинерционного управления свойствами и геометрией реакционного объема с помощью ЭП и более высокой устойчивостью реакционного объема к контракции при повышении давления. К преобладающим в газоразрядной плазме химически активным возбужденным частицам добавляются не менее активные ионы, в значительных концентрациях нарабатываемые в газе электронным пучком. В ГП возможно также образование новых частиц, которые возникают только при комбинированном воздействии ВЧ-разряда и ЭП.
Целями работы были:
Разработка технологических подходов к генерации ЭПП и ГП и обработке в них полимерных материалов синтетического и природного происхождения.
Характеристика морфологии поверхности, химической структуры и биологических свойств плазмохимически модифицированных (био)полимеров.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Генерация электронно-пучковой и гибридной плазмы
Рис.1 иллюстрирует общую схему плазмохимического реактора, предназначенного для генерации ЭПП и ГП. Облако плазмы 12 образуется в реакционной камере 11, размещенной внутри рабочей камеры 10. Рабочая камера имеет разъем 3 для вакуумирования и разъем 4 для подачи основного плазмообразующего газа с расходом Gg2. ВЧ-мощность от генератора Genesis GHW-12 (MKS Instruments, Великобритания, частота 13,6 МГц) подается на активный электрод 5 через герметичный ввод 8. Электрод 5 изготовлен из пористой металлической трубки, через которую может подаваться дополнительный газ с расходом Gg1, если это необходимо. Один конец реакционной камеры открыт, и через него вводится ЭП 2. Для генерации ЭПП ВЧ-генератор не используется.
Электронный пучок генерируется электронной пушкой 1 внутри высоковакуумной камеры 14 (∼10–5 Торр), а затем транспортируется в рабочую камеру через специальное выводное устройство 13. Выводное устройство объединяется с электромагнитной системой отклонения, которая может отклонять ось ЭП в двух перпендикулярных направлениях и формировать растр.
В разработанном реакторе могут быть сформированы как неподвижные облака ЭПП и ГП, так и плазменные потоки, для создания которых применяются сопловые устройства различных типов. С помощью разнообразных форсунок в облаке или потоке плазмы можно диспергировать жидкости или порошки, создавая таким способом реакционный объем в виде аэрозоля. Различные конструкции пучково-плазменных реакторов подробно описаны в [5].
Для обработки компактных образцов реакционная камера снабжена специальными держателями 12. В рассматриваемых в настоящей работе экспериментах использовались синтетические органические (полиметилметакрилат (ПММА), полиэтилентерефталат, силиконовые резины) и природные (хитин, хитозан, целлюлоза, альгинаты) полимеры.
Перечисленные материалы достаточно широко применяются в медицинской практике, а улучшение их медико-биологических характеристик является актуальной задачей.
Для обработки порошковых материалов реакционная камера приводится во вращение с помощью двигателя 9. При этом внутренняя оснастка реакционной камеры заменяется на специальные ребра для перемешивания порошка в процессе обработки, что обеспечивает равномерность обработки материала по всему объему камеры. Как будет показано ниже, таким способом удается получать биоактивные соединения с ценными с точки зрения их применения в фармацевтике свойствами.
Реактор тестировали на тонких пленках (толщина 8±0,5 мкм) и порошках (диаметр 50 мкм) хитозана, а также пластинках, изготовленных из стоматологической пластмассы на основе ПММА (Villacryl H Plus, "Жермак", Италия). В табл.1 приведены типичные условия проводившихся экспериментов.
РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭПП-стимулированная деструкция порошков хитозана
Порошки хитозана подвергали обработке в ЭПП в течение 5 мин. Плазменно-стимулированный гидролиз полисахаридов приводил к их быстрой деполимеризации с образованием смеси водорастворимых олигохитозанов с выходом 85%. Средневесовые молекулярные массы продуктов плазмохимической модификации хитозанов, полученные в оптимальных условиях, варьировались в пределах 570–2000 кДа, что соответствует набору олигомеров от димеров до гептамеров, с преобладанием тримеров.
При этом следует особо отметить два фундаментальных результата, имеющих чрезвычайно важное практическое значение:
■ пороговый характер зависимости, связывающей степень деструкции полимера с длительностью пучково-плазменного воздействия, что позволяет оптимизировать процесс обработки и исключить непроизводительные энергозатраты;
■ вероятность появления побочных, не растворимых в воде соединений в составе продуктов пучково-плазменной модификации хитозанов – эффекта, обусловленного обратной полимеризацией образующихся низкомолекулярных продуктов при неоптимальном выборе условий обработки.
Исследование свойств хитоолигосахаридов, полученных путем ЭПП-стимулированного гидролиза хитозанов, показало, что эти продукты обладают антибактериальным (как в случае покоящихся, так и в случае размножающихся грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов) и фунгицидным (что было показано на ряде дрожжеподобных и мицелиальных грибов) эффектами [6].
Модификация (био)полимеров в ГП
Возможности использования ГП и гибридных плазмохимических реакторов в области биологии и медицины были продемонстрированы в экспериментах с тонкими пленками, полученными из природного полимера хитозана, и пластинках, изготовленных из ПММА.
Краевой угол смачивания по воде ГП-модифицированных хитозановых пленок существенно понижался по сравнению с исходными образцами (с 96,95±1,89° у исходных пленок до практически нулевого значения при обработке в кислородсодержащих плазмообразующих средах), что свидетельствует о радикальном улучшении гидрофильных свойств. Данный эффект был стабилен в течение 2 мес. после обработки.
Значения контактного угла смачивания по воде (θW) и дийодометану (θDM), а также значения полной поверхностной энергии γtot и ее полярной γpol (вода) и дисперсионной γdisp (дийодметан) компонент для ПММА, обработанного в ГП различных газов плазме приведены в табл.2. Значительное уменьшение θW отмечалось уже после 2 мин обработки.
Свободная поверхностная энергия γtot увеличивалась с длительностью плазмохимического воздействия.
Гидрофильность образцов ПММА, обработанных в ГП, сравнивали со смачиваемостью этого полимера после модификации в ЭПП и плазме ВЧ-разряда. Через 2 мин обработки в ВЧ-разряде кислорода краевой угол θW ПММА снижался с 76,00±3,23˚ до 49,00±0,08˚, а при увеличении времени модификации до 10 мин – до 31,40±0,37˚. Таким образом, были достигнуты значения θW, близкие к θW ПММА, модифицированного в ГП. Однако деградация гидрофильных свойств полимерной поверхности после обработки в ВЧ-разряде происходила значительно быстрее, чем в случае использования ГП. Подобный эффект, объяснение которого приведено в [5], наблюдался и при исследовании гидрофильных свойств плазмохимически модифицированных пленок хитозана. Обработка в ЭПП кислорода в течение 10 мин уменьшала θW до 56,7±0,06˚, а деградация смачиваемости наступала уже через неделю хранения. Таким образом, ГП является наиболее эффективным способом управления гидрофильно-гидрофобными свойствами поверхности по сравнению с ЭПП и плазмой ВЧ-разряда.
Гидрофильность поверхности определяется как ее рельефом, так и химическим составом [7]. На рис.2 показаны изображения поверхности ПММА, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии (AFM), на которых видно возрастание шероховатости после модификации в гибридной плазме и сглаживание рельефа в результате действия ЭПП. Вероятно, что тяжелые нейтральные частицы кислорода, нарабатываемые в больших концентрациях в процессе плазмохимических реакций в ГП, приводят к активному химическому и механическому травлению полимерной поверхности. Напротив, высокоэнергетические электроны ЭП способны в определенных дозах вызывать сшивку молекул полимера, что является причиной сглаживания ее шероховатостей [8, 9].
Данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение. Все результаты достоверные по сравнению с контролем ПММА (p <0,05).
С использованием ИК-спектроскопии было показано формирование на поверхности хитозановых пленок и пластинок ПММА полярных химически активных кислородсодержащих групп (–ОН, –СОН и –С = О, –СООН). Увеличение содержания кислорода в НТП-обработанных образцах также подтверждалось данными РФЭС.
Биосовместимость модифицированного в кислородной ГП ПММА оценивали в экспериментах на культурах фибробластов в МТТ-тесте, который отражает способность клеток к росту и размножению. Результаты сравнивали с биоактивностью образцов ПММА, обработанных в ЭПП и ВЧ-разряде. Было установлено, что наиболее интенсивный рост фибробластов происходит на поверхности ПММА, модифицированного в ГП кислорода. Таким образом, модификация полимера в ГП придает полимерной поверхности наибольшую биосовместимость, что вероятно связано с большим количеством на ее поверхности полярных группировок и, как следствие, большей гидрофильностью.
Перспективность разработанного способа модификации полимерных материалов для практической клинической стоматологии была продемонстрирована при курировании пациентки, прошедшей хирургическое лечение и гамма-терапию рака слизистой оболочки щеки. В течение года наблюдения за пациенткой, имеющей склонность к образованию красного плоского лишая на фоне сниженного местного и общего иммунитета, быладостигнута устойчивая ремиссия, а в слизистой ротовой полости не возникало никаких патологических элементов и новых образований. Сама пациентка не предъявляла жалоб на дискомфорт при ношении протеза и отмечала повышение качества жизни.
ВЫВОДЫ
Таким образом, ЭПП и ГП являются эффективным и перспективным инструментом модификации природных и синтетических полимеров с целью получения биоактивных низкомолекулярных соединений и материалов, обладающих улучшенной биосовместимостью с тканями организма.
Полученные в результате обработки в ЭПП и ГП продукты модификации являются потенциально интересными для использования в практической стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, а также фармацевтике и косметической промышленности.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность кандидату технических наук, доценту, старшему научному сотруднику ЦКП "Арктика", Северный (Арктический) федеральный университет (г. Архангельск) Д.Г.Чухчину за помощь и проведение атомно-силовой микроскопии образцов.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
K-Weltmann D., Kolb J.F., Holub M., et al. The future for plasma science and technology // Plasma Process. Polym. 2018. 16. 1800118.
Th. von Woedtke, Reuter S., Masura K., et al. Plasmas for medicine // Phys. Rep. 2013. 530. 291–320.
Nedela O., Slepicka P., Svorcik V. Surface modification of polymer substrates for biomedical applications // Materials. 2017. 10. 1115.
Рыбкин В.В. Низкотемпературная плазма как инструмент модификации поверхности полимерных материалов // Соросовский образовательный журнал. 2000. 6. 58–63.
Vasiliev M., Vasilieva T., Aung Myat Hein. Hybrid plasma-chemical reactors for bio-polymers processing // Phys J. D: Appl. Phys. 2019. 52. 335202.
Vasilieva T., Sigarev A., Kosyakov D., Ul’yanovskii N., Anikeenko E., Chuhchin D., Ladesov A., Aung Myat Hein, Miasnikov V. Formation of low molecular weight oligomers from chitin and chitosan stimulated by plasma-assisted processes // Carbohyd. Polym. 2017. 163. 54–61.
Kasalkova N.S., Slepicka P., Kolska Z., Svorcik V. Wettability and other surface Properties of modified polymers // Wetting and Wettability / Ed. by Aliofkhazraei M. – IntechOpen, 2015, 323–356.
Kashiwagi M., Hoshi Y. Electron beam Processing System and Its Application // Sei Tech. Rev. 2012. 75. 47–54.
Radiation Processing of Polymer Materials and Its Industrial Applications. Ed. by Makuuchi K. and Cheng S. // John Wiley & Sons. 2012. 415 p.
APPLICATION OF LOW-TEMPERATURE LOW PRESSURE PLASMA IN CLINICAL MEDICINE AND PHARMACEUTICS
Т.М.Васильева1, д.т.н., проф., (ORCID: 0000-0001-6103-6195), Е.В.Кочурова2, д.мед.н., проф., (ORCID: 0000-0002-6033-3427), Е.О.Кудасова2, к.мед.н., ассистент МГМУ, (ORCID: 0000-0002-2603-3834), Р.А.Акасов3, к.б.н., ст. науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-6486-8114), Хтет Вэй Ян Чжо1, аспирант, (ORCID: 0000-0002-5221-4532), Хтет Ко Ко Зау1, аспирант, (ORCID: 0000-0002-8552-4633) / tmvasilieva@gmail.com
T.M.Vasilieva1, Doctor of Sc. (Technical), Prof., (ORCID: 0000-0001-6103-6195), E.V.Kochurova2, Doctor of Sc. (Medical), Prof., (ORCID: 0000-0002-6033-3427), Е.О.Kudasova2, Cand. of Sc. (Medical), Assistant professor, (ORCID: 0000-0002-2603-3834), R.A.Akasov3, Senior Researcher, Cand. of Sc. (Biological), (ORCID: 0000-0001-6486-8114), Htet Wai Yan Kyaw1, Post-Graduate, (ORCID: 0000-0002-5221-4532), Htet Ko Ko Zaw1, Post-Graduate, (ORCID: 0000-0002-8552-4633)
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.7-8.434.442
Получено: 06.10.2019 г.
Описаны генераторы электронно-пучковой плазмы и гибридной плазмы, предназначенные для модификации (био)полимерных материалов, используемых в медицине. Приводятся данные о морфологии поверхности, химической структуре и биологической активности модифицированных полимеров.
Described are the generators of electron-beam plasma and hybrid plasma intended for the modification of (bio)polymeric materials used in medicine. Data on surface morphology, chemical structure and biological activity of modified polymers are presented.
ВВЕДЕНИЕ
К концу 20-го века различные типы низкотемпературной плазмы (НТП) стали находить свое практическое применение не только для многочисленных производственных технологий [1], но и в совершенно новых инновационных областях, таких как плазменная медицина.
По прогнозам VDI Technologiezentrum GmbH, Evaluierung Plasmatechnik (г. Дюссельдорф, Германия), именно эта сфера будет наиболее перспективной для разработки и внедрения плазменно-стимулированных процессов. Медицинские приложения НТП среди прочего включают модификацию поверхностей полимерных материалов с целью повышения их биосовместимости с тканями организма человека [2]. Изменяя заряд поверхности, обработка полимеров в НТП увеличивает абсорбцию адгезивных белков и иммобилизацию различных биологически активных молекул [3]. НТП-модификация поверхности, кроме того, влияет на ее морфологию, порождая различные наноразмерные структуры, которые служат точками привязки для специфических белков клеточной мембраны, тем самым улучшая адгезию клетки к обрабатываемой поверхности [3].
Наиболее изученной с точки зрения механизмов модификации полимерных материалов и изделий является НТП пониженного давления, причем чаще всего используется НТП газовых разрядов различных частотных диапазонов [4]. Известны и недостатки газоразрядных реакторов, ограничивающие их использование для данной задачи.
В первую очередь это трудности, связанные с формированием больших однородных реакционных объемов, что зачастую приводит к значительному разогреву плазмообразующей среды и помещенных в нее объектов. При интенсивной продувке газа через разряд возможна потеря устойчивости реакционного объема, а если используются электродные газоразрядные системы, то могут возникать технические проблемы, связанные с химической стойкостью самих электродов.
Привлечение других видов НПТ пониженного давления, таких как электронно-пучковая (ЭПП) и гибридная (ГП) плазма, позволяет преодолеть перечисленные недостатки.
Электронно-пучковая плазма (ЭПП) генерируется при инжекции электронного пучка (ЭП) в плотную газообразную среду. Геометрия, состав, температуры частиц и др. характеристики ЭПП определяются энергией электронов Eb, мощностью пучка Nb (Nb<1 кВт), а также давлением Pm (0,1 <Pm<10 кПа), температурой Tm плазмообразующей среды, а также ее химическим и фазовым составом. Изменяя мощность ЭП при постоянном давлении Pm (или, наоборот, изменяя давление газа при постоянной Nb), можно управлять режимами работы генератора ЭПП, и за счет этого контролируемым образом осуществлять различные неравновесные плазмохимические реакции. При этом температуру образца во время обработки удается поддерживать на заданном уровне, а снижение температуры процесса вплоть до комнатной практически не сказывается на высокой химической активности плазмы.
Гибридная плазма генерируется, когда на плазмообразующую среду совместно или попеременно воздействуют два (или более) ионизатора. В настоящем исследовании для формирования достаточно больших плазменных объемов в качестве основного ионизатора был использован электронный пучок, а дополнительным источником ионизации служил ВЧ-разряд с частотой 13,56 МГц. ГП обладает чрезвычайно важными дополнительными преимуществами – возможностью практически безинерционного управления свойствами и геометрией реакционного объема с помощью ЭП и более высокой устойчивостью реакционного объема к контракции при повышении давления. К преобладающим в газоразрядной плазме химически активным возбужденным частицам добавляются не менее активные ионы, в значительных концентрациях нарабатываемые в газе электронным пучком. В ГП возможно также образование новых частиц, которые возникают только при комбинированном воздействии ВЧ-разряда и ЭП.
Целями работы были:
Разработка технологических подходов к генерации ЭПП и ГП и обработке в них полимерных материалов синтетического и природного происхождения.
Характеристика морфологии поверхности, химической структуры и биологических свойств плазмохимически модифицированных (био)полимеров.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Генерация электронно-пучковой и гибридной плазмы
Рис.1 иллюстрирует общую схему плазмохимического реактора, предназначенного для генерации ЭПП и ГП. Облако плазмы 12 образуется в реакционной камере 11, размещенной внутри рабочей камеры 10. Рабочая камера имеет разъем 3 для вакуумирования и разъем 4 для подачи основного плазмообразующего газа с расходом Gg2. ВЧ-мощность от генератора Genesis GHW-12 (MKS Instruments, Великобритания, частота 13,6 МГц) подается на активный электрод 5 через герметичный ввод 8. Электрод 5 изготовлен из пористой металлической трубки, через которую может подаваться дополнительный газ с расходом Gg1, если это необходимо. Один конец реакционной камеры открыт, и через него вводится ЭП 2. Для генерации ЭПП ВЧ-генератор не используется.
Электронный пучок генерируется электронной пушкой 1 внутри высоковакуумной камеры 14 (∼10–5 Торр), а затем транспортируется в рабочую камеру через специальное выводное устройство 13. Выводное устройство объединяется с электромагнитной системой отклонения, которая может отклонять ось ЭП в двух перпендикулярных направлениях и формировать растр.
В разработанном реакторе могут быть сформированы как неподвижные облака ЭПП и ГП, так и плазменные потоки, для создания которых применяются сопловые устройства различных типов. С помощью разнообразных форсунок в облаке или потоке плазмы можно диспергировать жидкости или порошки, создавая таким способом реакционный объем в виде аэрозоля. Различные конструкции пучково-плазменных реакторов подробно описаны в [5].
Для обработки компактных образцов реакционная камера снабжена специальными держателями 12. В рассматриваемых в настоящей работе экспериментах использовались синтетические органические (полиметилметакрилат (ПММА), полиэтилентерефталат, силиконовые резины) и природные (хитин, хитозан, целлюлоза, альгинаты) полимеры.
Перечисленные материалы достаточно широко применяются в медицинской практике, а улучшение их медико-биологических характеристик является актуальной задачей.
Для обработки порошковых материалов реакционная камера приводится во вращение с помощью двигателя 9. При этом внутренняя оснастка реакционной камеры заменяется на специальные ребра для перемешивания порошка в процессе обработки, что обеспечивает равномерность обработки материала по всему объему камеры. Как будет показано ниже, таким способом удается получать биоактивные соединения с ценными с точки зрения их применения в фармацевтике свойствами.
Реактор тестировали на тонких пленках (толщина 8±0,5 мкм) и порошках (диаметр 50 мкм) хитозана, а также пластинках, изготовленных из стоматологической пластмассы на основе ПММА (Villacryl H Plus, "Жермак", Италия). В табл.1 приведены типичные условия проводившихся экспериментов.
РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭПП-стимулированная деструкция порошков хитозана
Порошки хитозана подвергали обработке в ЭПП в течение 5 мин. Плазменно-стимулированный гидролиз полисахаридов приводил к их быстрой деполимеризации с образованием смеси водорастворимых олигохитозанов с выходом 85%. Средневесовые молекулярные массы продуктов плазмохимической модификации хитозанов, полученные в оптимальных условиях, варьировались в пределах 570–2000 кДа, что соответствует набору олигомеров от димеров до гептамеров, с преобладанием тримеров.
При этом следует особо отметить два фундаментальных результата, имеющих чрезвычайно важное практическое значение:
■ пороговый характер зависимости, связывающей степень деструкции полимера с длительностью пучково-плазменного воздействия, что позволяет оптимизировать процесс обработки и исключить непроизводительные энергозатраты;
■ вероятность появления побочных, не растворимых в воде соединений в составе продуктов пучково-плазменной модификации хитозанов – эффекта, обусловленного обратной полимеризацией образующихся низкомолекулярных продуктов при неоптимальном выборе условий обработки.
Исследование свойств хитоолигосахаридов, полученных путем ЭПП-стимулированного гидролиза хитозанов, показало, что эти продукты обладают антибактериальным (как в случае покоящихся, так и в случае размножающихся грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов) и фунгицидным (что было показано на ряде дрожжеподобных и мицелиальных грибов) эффектами [6].
Модификация (био)полимеров в ГП
Возможности использования ГП и гибридных плазмохимических реакторов в области биологии и медицины были продемонстрированы в экспериментах с тонкими пленками, полученными из природного полимера хитозана, и пластинках, изготовленных из ПММА.
Краевой угол смачивания по воде ГП-модифицированных хитозановых пленок существенно понижался по сравнению с исходными образцами (с 96,95±1,89° у исходных пленок до практически нулевого значения при обработке в кислородсодержащих плазмообразующих средах), что свидетельствует о радикальном улучшении гидрофильных свойств. Данный эффект был стабилен в течение 2 мес. после обработки.
Значения контактного угла смачивания по воде (θW) и дийодометану (θDM), а также значения полной поверхностной энергии γtot и ее полярной γpol (вода) и дисперсионной γdisp (дийодметан) компонент для ПММА, обработанного в ГП различных газов плазме приведены в табл.2. Значительное уменьшение θW отмечалось уже после 2 мин обработки.
Свободная поверхностная энергия γtot увеличивалась с длительностью плазмохимического воздействия.
Гидрофильность образцов ПММА, обработанных в ГП, сравнивали со смачиваемостью этого полимера после модификации в ЭПП и плазме ВЧ-разряда. Через 2 мин обработки в ВЧ-разряде кислорода краевой угол θW ПММА снижался с 76,00±3,23˚ до 49,00±0,08˚, а при увеличении времени модификации до 10 мин – до 31,40±0,37˚. Таким образом, были достигнуты значения θW, близкие к θW ПММА, модифицированного в ГП. Однако деградация гидрофильных свойств полимерной поверхности после обработки в ВЧ-разряде происходила значительно быстрее, чем в случае использования ГП. Подобный эффект, объяснение которого приведено в [5], наблюдался и при исследовании гидрофильных свойств плазмохимически модифицированных пленок хитозана. Обработка в ЭПП кислорода в течение 10 мин уменьшала θW до 56,7±0,06˚, а деградация смачиваемости наступала уже через неделю хранения. Таким образом, ГП является наиболее эффективным способом управления гидрофильно-гидрофобными свойствами поверхности по сравнению с ЭПП и плазмой ВЧ-разряда.
Гидрофильность поверхности определяется как ее рельефом, так и химическим составом [7]. На рис.2 показаны изображения поверхности ПММА, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии (AFM), на которых видно возрастание шероховатости после модификации в гибридной плазме и сглаживание рельефа в результате действия ЭПП. Вероятно, что тяжелые нейтральные частицы кислорода, нарабатываемые в больших концентрациях в процессе плазмохимических реакций в ГП, приводят к активному химическому и механическому травлению полимерной поверхности. Напротив, высокоэнергетические электроны ЭП способны в определенных дозах вызывать сшивку молекул полимера, что является причиной сглаживания ее шероховатостей [8, 9].
Данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение. Все результаты достоверные по сравнению с контролем ПММА (p <0,05).
С использованием ИК-спектроскопии было показано формирование на поверхности хитозановых пленок и пластинок ПММА полярных химически активных кислородсодержащих групп (–ОН, –СОН и –С = О, –СООН). Увеличение содержания кислорода в НТП-обработанных образцах также подтверждалось данными РФЭС.
Биосовместимость модифицированного в кислородной ГП ПММА оценивали в экспериментах на культурах фибробластов в МТТ-тесте, который отражает способность клеток к росту и размножению. Результаты сравнивали с биоактивностью образцов ПММА, обработанных в ЭПП и ВЧ-разряде. Было установлено, что наиболее интенсивный рост фибробластов происходит на поверхности ПММА, модифицированного в ГП кислорода. Таким образом, модификация полимера в ГП придает полимерной поверхности наибольшую биосовместимость, что вероятно связано с большим количеством на ее поверхности полярных группировок и, как следствие, большей гидрофильностью.
Перспективность разработанного способа модификации полимерных материалов для практической клинической стоматологии была продемонстрирована при курировании пациентки, прошедшей хирургическое лечение и гамма-терапию рака слизистой оболочки щеки. В течение года наблюдения за пациенткой, имеющей склонность к образованию красного плоского лишая на фоне сниженного местного и общего иммунитета, быладостигнута устойчивая ремиссия, а в слизистой ротовой полости не возникало никаких патологических элементов и новых образований. Сама пациентка не предъявляла жалоб на дискомфорт при ношении протеза и отмечала повышение качества жизни.
ВЫВОДЫ
Таким образом, ЭПП и ГП являются эффективным и перспективным инструментом модификации природных и синтетических полимеров с целью получения биоактивных низкомолекулярных соединений и материалов, обладающих улучшенной биосовместимостью с тканями организма.
Полученные в результате обработки в ЭПП и ГП продукты модификации являются потенциально интересными для использования в практической стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, а также фармацевтике и косметической промышленности.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность кандидату технических наук, доценту, старшему научному сотруднику ЦКП "Арктика", Северный (Арктический) федеральный университет (г. Архангельск) Д.Г.Чухчину за помощь и проведение атомно-силовой микроскопии образцов.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
K-Weltmann D., Kolb J.F., Holub M., et al. The future for plasma science and technology // Plasma Process. Polym. 2018. 16. 1800118.
Th. von Woedtke, Reuter S., Masura K., et al. Plasmas for medicine // Phys. Rep. 2013. 530. 291–320.
Nedela O., Slepicka P., Svorcik V. Surface modification of polymer substrates for biomedical applications // Materials. 2017. 10. 1115.
Рыбкин В.В. Низкотемпературная плазма как инструмент модификации поверхности полимерных материалов // Соросовский образовательный журнал. 2000. 6. 58–63.
Vasiliev M., Vasilieva T., Aung Myat Hein. Hybrid plasma-chemical reactors for bio-polymers processing // Phys J. D: Appl. Phys. 2019. 52. 335202.
Vasilieva T., Sigarev A., Kosyakov D., Ul’yanovskii N., Anikeenko E., Chuhchin D., Ladesov A., Aung Myat Hein, Miasnikov V. Formation of low molecular weight oligomers from chitin and chitosan stimulated by plasma-assisted processes // Carbohyd. Polym. 2017. 163. 54–61.
Kasalkova N.S., Slepicka P., Kolska Z., Svorcik V. Wettability and other surface Properties of modified polymers // Wetting and Wettability / Ed. by Aliofkhazraei M. – IntechOpen, 2015, 323–356.
Kashiwagi M., Hoshi Y. Electron beam Processing System and Its Application // Sei Tech. Rev. 2012. 75. 47–54.
Radiation Processing of Polymer Materials and Its Industrial Applications. Ed. by Makuuchi K. and Cheng S. // John Wiley & Sons. 2012. 415 p.
Отзывы читателей
