Имплантируемые медицинские изделия из полиуретана: синтез, поверхностная модификация, биосовместимость

Авторы

  • Д.Э. Якушева Институт технической химии УрО РАН
  • Т.И. Карпунина Пермский государственный медицинский университет им. академика Е.А. Вагнера
  • А.П. Годовалов Пермский государственный медицинский университет им. академика Е.А. Вагнера
  • С.А. Астафьева Институт технической химии УрО РАН
  • А.И. Слободинюк Институт технической химии УрО РАН

DOI:

https://doi.org/10.7242/2658-705X/2021.1.2

Ключевые слова:

полиуретанмочевина, поверхностная модификация, ионно-лучевая обработка, адгезия микроорганизмов, биосовместимость in vivo, гемосовместимость in vitro, лизис эритроцитов, продукция цитокинов

Аннотация

Синтезированы 4 вида полиуретановых материалов, структура которых подтверждена методом спектроскопии ИК НПВО. Биосовместимость исходных материалов оценивалась по гемолизу in vitrо фотометрическим методом. Показано, что наиболее гемосовместимым материалом является полиуретанмочевина на основе олиготетраметиленоксидпропиленоксиддиола - СПУМ-1. Разработаны две группы методик поверхностной модификации, получен ряд образцов СПУМ-1 с привитыми на поверхность органическими группами и радикалами. Обнаружено, что приС(NaCl)= 0,450% лизис эритроцитов в присутствии на поверхности альдегидных и алкильных радикалов снижается на 20-25% по сравнению с исходным образцом. Методом микропланшетной фотометрии исследовано биопленкообразование на полиуретановых образцах. Обнаружено, что присутствие на поверхности химически связанной четвертичной соли диоктиламмония приводит к значительному снижению количества адгезированной биопленки по сравнению с исходным образцом, так как содержание белка на поверхности после инкубации в 10 раз меньше, чем в случае исходного образца. Проведены исследования биосовместимости исходного и модифицированного СПУМ-1 в виде шнура in vivо на подопытных животных (крысах). Разработан инновационный метод имплантации полимерных образцов в организм подопытных животных, снижающий травмирование и исключающий развитие послеоперационных осложнений. По результатам гистологического анализа лучшим, с точки зрения биосовместимости, является образец с альдегидными группами в структуре поверхностного слоя. Биосовместимость имплантируемых материалов исследована дополнительно по оригинальной методике с использованием лейкоцитов крови человека путем определения индекса стимуляции как отношения удельной продукции основных провоспалительных цитокинов. Из исследованных модифицированных материалов наилучшие результаты показал образец с иммобилизированными частицами оксида цинка. Зарегистрированы различия индивидуальной реактивности клеток крови разных доноров.

Поддерживающие организации
Статья подготовлена при финансовой поддержке гранта РФФИ №17-43-590904 «Разработка методов и подходов для повышения биосовместимости и антибактериальных свойств имплантируемых медицинских изделий из полиуретана».

Биографии авторов

  • Д.Э. Якушева, Институт технической химии УрО РАН
    кандидат технических наук, старший научный сотрудник
  • Т.И. Карпунина, Пермский государственный медицинский университет им. академика Е.А. Вагнера

    доктор биологических наук, профессор кафедры микробиологии и вирусологии

  • А.П. Годовалов, Пермский государственный медицинский университет им. академика Е.А. Вагнера
    кандидат медицинских наук, ведущий научный сотрудник центральной научно-исследовательской лаборатории, доцент кафедры микробиологии и вирусологии
  • С.А. Астафьева, Институт технической химии УрО РАН

    кандидат технических наук, заведующий лабораторией структурно-химической модификации полимеро

  • А.И. Слободинюк, Институт технической химии УрО РАН

    кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. Adipurnama M.C., Yang T., Ciach B., Butruk-Raszeja Surface modification and endothelialization of polyurethane for vascular tissue engineering applications: a review // Biomater. Sci. - 2017. - № 5. - P. 22-37.
  2. Kjaergard H.K., Tingleff J., Abildgaard U., Pettersson G. Recurrent endocarditis in silver-coated heart valve prosthesis // J. Heart Valve Dis. - 1999. - Vol. 8. - P. 140-142.
  3. Cook G., Costerton J.W., Darouiche R.O. Direct confocal microscopy studies of the bacterial colonization in vitro of a silver-coated heart valve sewing cuff // Int. J. Antimicrob. Agents. - 2000. - Vol. 13. - P. 169-173.
  4. Darouiche R.O. Anti-Infective Efficacy of Silver-Coated Medical Prostheses // Clin. Infect. Dis. - 1999. - Vol. 29. - P. 1371-1377.
  5. Maki D.G. Infections caused by intravascular devices used for infusion therapy: pathogenesis, prevention, and management. In: Bisno A.L., Waldvogel F.A. ed. Infections associated with indwelling medical devices. 2nd ed. - Washington: American Society for Microbiology, 1994. - P. 155-212.
  6. Maki D.G., Band J.D. A comparative study of polyantibiotic and iodophor ointments in prevention of vascular catheter-related infection // Am. J. Med. - 1981. - Vol. 70. - P. 739 - 744.
  7. Shi Z. Preparation and characterization of crosslinked polyurethane-block-poly (trifluoropropylmethyl) siloxane elastomers with potential biomedicalapplications // Polymer International. - 2013. - Vol. 62. - № 9. - P. 1351-1357.
  8. Guelcher S.A., Srinivasan A., Dumas J.E., Didier J.E., McBride S., Hollinger J.O. Synthesis, mechanical properties, biocompatibility, and biodegradation of polyurethane networks from lysine polyisocyanates // Biomaterials. - 2008. - Vol. 29. - № 12. - P. 1762-1775.
  9. Kiziltay A., Marcos-Fernandez A., Roman J.S., Sousa R.A., Reis R.L., Hasirci V. [et al.] Poly (ester-urethane) scaffolds: Effect of structure on properties and osteogenic activity of stem cells // Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. - 2015. - № 9. - P. 930-942.
  10. Zhou X., Zhang T., Guo D., Gu N. A facile preparation of poly(ethyleneoxide)-modified medical polyurethane to improve hemocompatibility // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. - 2014. - Vol. 441. - P. 34-42.
  11. Zhou B., Hu Y., Li J., Li B. Chitosan-phosvitin antibacterial films fabricated via layer-by-layer deposition // International Journal of Biological Macromolecules. - 2014. - Vol. 64. - P. 402-408.
  12. Martinelli A., D’Ilario L., Francolini I. [et al.] Water state effect on drug release from an antibiotic loaded polyurethane matrix containing albumin nanoparticles // International Journal of Pharmaceutics. - 2011. - Vol. 407. - P. 197-206.
  13. Choi Yu., Nirmala R., Lee J. [et al.] Antibacterial ciprofloxacin HCl incorporated polyurethane composite nanofibers via electrospinning for biomedical applications // Ceramics International. - 2013. - Vol. 39. - P. 4937-4944.
  14. Azhie K. Antibacterial Studies on Titania Polyurethane Nanocomposite Coatings. Electronic Thesis and Dissertation Repository. 1939 [Электронный ресурс] - URL: https://ir.lib.uwo.ca/etd/1939 (дата обращения: 08.12.2018).
  15. Li J.H., Hong R.Y., Li M.Y. [et al.] Effects of ZnO nanoparticles on the mechanical and antibacterial properties of polyurethane coatings // Progress in Organic Coatings. - 2009. - Vol. 64. - P. 504-509.
  16. Yao C., Li X., Neoh K.G. [et al.] Surface modification and antibacterial activity of electrospun polyurethane fibrous membranes with quaternary ammonium moieties // Journal of Membrane Science. - 2008. - Vol. 320. - P. 259-267.
  17. Чеботарь И.В., Погорелов А.Г., Яшин В.А., Гурьев Е.Л., Ломинадзе Г.Г. Современные технологии исследования бактериальных пленок // Современные технологии в медицине. - 2013. - Т. 5. - № 1. - С. 14-20.
  18. Горшкова М.А., Петрова М.Б., Миллер Д.А. Модификация метода определения осмотической резистентности эритроцитов // Тверской медицинский журнал. - 2017. - №. 1. - С. 12-17.
  19. Karpunina T.I., Godovalov A.P., Yakusheva D.E. Analysis of the Biocompatibility of Polymer Implant Materials //Biomedical Engineering. - 2020. - Vol. 53. - №. 6. - P. 429-432.
  20. Заявка №2020124543/14(042453) приоритет от 14.07.2020. Годовалов А.П., Якушева Д.Э., Бусырев Ю.Б., Морозов И.А., Карпунина Т.И., Астафьева С.А. Способ индивидуальной оценки биосовместимости с организмом имплантируемых полимерных материалов. Решение о выдаче патента на изобретение от 11.12.2020.
  21. Патент RU 2625753 C. Карпунина Т.И., Бусырев Ю.Б., Нестерова Л.Ю. Cпособ оценки антимикробной модификации поверхности силиконового каучука.
  22. Аль Рифаи С.А., Кульницкий Б.А., Рябцев С.В., Домашевская Э.П. Морфологические и оптические особенности нанотетраподов ZnO // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2013. - Т. 15. - № 3. - С. 317-321

Загрузки

Опубликован

2021-04-30

Выпуск

№ 1 (2021)

Раздел

Исследования: теория и эксперимент

Как цитировать

Якушева, Д., Карпунина, Т., Годовалов, А., Астафьева, С., & Слободинюк, А. (2021). Имплантируемые медицинские изделия из полиуретана: синтез, поверхностная модификация, биосовместимость. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, 1, 19-36. https://doi.org/10.7242/2658-705X/2021.1.2