Комплекс уникальных свойств, а именно устойчивость к влаге и биологическим средам, быстрый переход между текучим и твердым состояниями, возможность регулировки физико-механических свойств без изменения химического состава, позволяет биосовместимым фотополимеризуемым композициям становиться востребованными материалами не только в стоматологии и ортопедии, но и в регенеративной медицине и тканевой инженерии [1]. Так, с развитием аддитивных технологий биосовместимые фотополимеризуемые композиции стали широко применять в качестве материалов для стереолитографии при производстве имплантируемых изделий [2, 3]. Согласно базе данных Google Scholar с 2020 г. опубликовано более 10 000 исследовательских работ, посвященных фотополимеризуемым полимерным матриксам для биомедицинского применения, причем их число возрастает с каждым годом в среднем на 15% (рис. 1).

Несмотря на большое число новых исследований, основным методом получения биосовместимых фотоотверждаемых материалов по-прежнему является модификация полимеров акрилатными группами. Выбор подходящих для биомедицинского применения фотополимеризуемых систем на сегодняшний день ограничен, так как образование ионов или радикалов при инициировании процессов фотополимеризации делает значительную часть таких материалов токсичными [4, 5]. Помимо этого, живые ткани могут подвергаться токсическому действию компонентов, не полностью прореагировавших в процессе полимеризации [6, 7].

С точки зрения воздействия на живую ткань наиболее безопасным методом фотополимеризации являются передача радикала и межмолекулярная сшивка по функциональным акрилатным группам. Важен при этом выбор соответствующего инициатора или пары инициатор– соинициатор, основным требованием к которым является низкая токсичность, как в неактивной форме, так и в форме радикала. В настоящий момент на практике используют не более 10 различных биосовместимых фотоинициаторов, основные из которых — камфорхинон (CQ) и дифенил(2,4,6-триметилбензоат)фосфиноксид (TPO) [8].

Целью настоящего обзора было систематизировать литературные данные, описывающие виды фотополимеризуемых материалов и отдельные их компоненты для медико-биологического применения.

Поиск по базам данных PubMed, Google Scholar и Elibrary проводили по ключевым словам. Оценку числа опубликованных исследований за 2020–2024 гг. делали по запросам: «photopolymerization», «photocurable biomaterials», «photo-crosslinkable hydrogels», «tissue engineering», «degradable biomaterials», «3D-printing», «photoinitiator».

ФОТООТВЕРЖДАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАТРИКСОВ

Полимерные матриксы получают посредством сшивания модифицированных олигомерных или полимерных цепей, содержащих две или более активные группы. Каждая активная группа может быть химически интегрирована или в растущую полимерную цепь или в поперечную связь между двумя цепями за счет образования радикала. В результате передачи радикалов от инициаторов к полимеризуемому соединению происходит образование макрорадикалов. Дальнейшее присоединение молекул исходного вещества к растущему макрорадикалу обеспечивает увеличение молекулярной массы, а взаимодействие двух макрорадикалов приводит к остановке реакции полимеризации (рис. 2) [9]. Наличие конкурирующих механизмов позволяет контролировать надмолекулярную структуру и молекулярную массу получаемого соединения, что в свою очередь помогает контролировать его физико-механические свойства [10].

Использование фотоотверждаемых материалов в качестве полимерных матриксов представляет большой интерес для решения задач медицинского материаловедения благодаря их способности к сшивке при физиологических температурах в отсутствии агрессивных химических соединений и хорошей биосовместимости [3].

По компонентному составу фототверждаемые полимерные системы можно условно разделить на синтетические и природные (биополимеры). Среди синтетических активно исследуют полимерные матриксы на основе полиэтиленгликоля, полилактида и их производных, а среди природных полимеров — коллаген и гиалуроновую кислоту.

Полиэтиленгликоль

Полиэтиленгликоль представляет собой водорастворимый и биосовместимый простой эфир, который широко применяют в области тканевой инженерии и доставке лекарственных средств [11]. Полиэтиленгликоль-ацетальдиметакрилат был использован для приготовления биоразлагаемых полимеров, потенциально применимых для регенерации костной ткани. В качестве добавки использовали наночастицы карбоната кальция, обладающего достаточной реакционной способностью для трансформации в гидроксиапатит [12]. Полученные матриксы были имплантированы в подкожные карманы мышей на 15 и 30 суток. Гистологическое исследование показало сопоставимую умеренную тканевую реакцию в основном с участием макрофагов, что демонстрирует биосовместимость фототверждаемой полимерной системы. Для решения проблемы развития инфекций в результате протезирования была разработана специальная технология покрытия имплантатов фотоотверждаемым полимером на основе полиэтиленгликоля и полиаллилмеркаптана [13]. Технология демонстрирует возможность смешивания различных антибиотиков с растворами фотополимеров, что обеспечивает необходимую антимикробную совместимость.

Полимеры на основе сложных полиэфиров

Такие полимеры широко используют в медицине в качестве хирургических нитей, ортопедических имплантатов, а также для изготовления персонализированных каркасов в тканевой инженерии. Индивидуальные шаблоны тканей, напечатанные на 3D-принтере поликапролактонполиуретановыми фотополимерами, характеризуются высокими показателями цитосовместимости и выживаемости мышиных фибробластов (свыше 85%), и быстрой биодеградацией — от 2 до 6 ч [14]. Интересен пример получения полимерных матриксов, используемых для восстановления хрящевой ткани, на основе полилактида и полиэтиленгликоля. Так, был разработан сополимер состава поли-D,L-молочная кислота — полиэтиленгликоль — поли-D,L-молочная кислота [15]. Испытания in vivo на культуре хондроцитов показали, что в условиях фотополимеризации состав проявлял способность к образованию высокопрочных связей с хрящевыми тканями хозяина, не влияя на жизнеспособность клеток и фенотип ткани.

Коллаген

Это один из основных биополимеров, применяемых в тканевой инженерии и регенеративной медицине, поскольку в организме он составляет около 33% всех белков и формирует кожу, сухожилия, хрящевую и костную ткань, стенки кровеносных сосудов [16]. Один из недостатков коллагена — его низкая механическая прочность, однако за счет двойного сшивания могут быть получены полимерные конструкции с улучшенными свойствами. Результаты исследования показали, что двойное сшивание положительно влияет на показатели модуля упругости и степени деградации, увеличивая их в 2 раза по сравнению с несшитыми гидрогелями [17]. Разрабатываемый для сосудистой тканевой инженерии модифицированный метакриламидом коллагеновый гидрогель в сравнении с модифицированным желатином характеризовался высокой степенью полимеризации (83–88% против 74–84%), настраиваемыми механическими свойствами (модуль упругости — 4,8–9,4 кПа против 3,9–8,4 кПа) и более высокой цитосовместимостью [18].

Хитозан

Хитозан представляет собой линейный аминополисахарид, состоящий из звеньев глюкозамина со свободными аминогруппами, которые обеспечивают высокую реакционную способность и растворимость. Среди остальных биополимеров отличается хорошей клеточной адгезией [19]. Процесс химической модификации хитозана фотополимеризуемыми группами 4-азидобензойной кислоты подробно описан в работе [20]. Цель исследования состояла в получении фотоотверждаемой полимерной мембраны на основе хитозан-азида и кератина. Примечательно, что фотополимеризация кератин-хитозановых мембран происходила без добавления фотоинициатора. Результат испытаний in vitro показал, что увеличение концентрации кератина положительно влияет на показатели клеточной выживаемости и адгезиии. В похожем исследовании хитозан, модифицированный метакриловым ангидридом, использовали для получения новой фотополимеризуемой композиции, отличающейся скоростью полимеризации и высокой инъекционной способностью [21]. Сообщалось, что выживаемость костных мезенхимальных стволовых клеток составляла более 92%. Описан способ получения фотополимеризуемого гидрогеля, на основе хитозана и желатина, содержащего частицы альбумина [22]. Инкубационные испытания в модельных физиологических жидкостях показали стабильность и отсутствие деградации гидрогеля. Жизнеспособность мышиных фибробластов составила 92,73%.

Гиалуроновая кислота

Этот природный полисахарид в основном содержится во внеклеточном матриксе тканей животных и характеризуется высокой гидрофильностью и биоразлагаемостью [23]. Описана возможность получения фотоотверждаемых матриксов на основе гиалуроновой кислоты и полиэтиленгликоля посредством реакции двойного сшивания [24]. Показатели выживаемости клеток и прочностные характеристики полученного полимера позволили предположить перспективность его использования для восстановления соединительных тканей. Особый интерес представляет комбинация хитозана и гиалуроновой кислоты. Изучены степень и скорость полимеризации, механические и реологические свойства фотосшиваемых полимеров на основе метакрилированного хитозана и гиалуроновой кислоты в зависимости от их соотношения [25]. При содержании фотоинициатора 0,04% масс. степень полимеризации превысила 90% не более чем за 3 с. Все полимерные составы подвергались полной деградации в течение первых 20–24 дней в гидролитической среде, и 5–10 дней в ферментативной среде, что делает перспективным их применение для пролонгированной доставки лекарственных средств или тканевой инженерии. На культуре эмбриональных фибробластов было показано снижении жизнеспособности клеток при увеличении концентраций фотоинициатора и гиалуроновой кислоты в исходной смеси. Для всех исследованных составов и концентраций выживаемость клеток находилась в диапазоне 85–96%.

Составы фотоотверждаемых полимерных матриксов и условия их получения представлены в табл. 1.

Приведенные данные указывают на то, что основным подходом в получении фотополимеризуемых композиций биомедицинского назначения является синтез метакрилированных производных биосовместимых полимеров.

ФОТОИНИЦИАТОРЫ

Фотоинициаторы необходимы для инициирования свободно-радикальной реакции полимеризации. Их разделяют на два типа. Фотоинициаторы типа I после светового возбуждения подвергаются собственному расщеплению с образованием свободных радикалов. Фотоинициаторы типа II производят радикалы путем отрыва водорода или переноса электронов/протонов от соинициатора (рис. 3) [26].

Одним из первых и до сих пор наиболее часто используемых фотоинициаторов является камфорхинон. Он относится к фотоинициаторам типа II, харктеризующегося меньшей токсичностью по сравнению с типом I. Однако меньшая химическая активность CQ требует участия третичного амина в качестве соинициатора реакции фотополимеризации. Скорость полимеризации является основным ограничивающим фактором использования камфорхинона [7]. Чтобы повысить устойчивость к солнечному свету фотоотверждаемых материалов на основе камфорхинона, были предложены специальные добавки, производные пиррола, которые конкурентно поглощают инициирующее излучение, что предотвращает нежелательное образование активной формы инициатора [27]. Особое внимание также уделяется цитотоксичности камфорхинона. На примере линий фибробластов установлено, что увеличение  концентрации камфорхинона с 50 мг/л до 100 мг/л в фотоинициирующей системе приводит к снижению жизнеспособности клеток с 80% до 60% [28]. Для обеспечения эффективной полимеризации при биологически приемлемых концентрациях камфорхинона в фотополимеризуемых материалах предложено использование в качестве соинициаторов соединений, повышающих содержание активных групп — тетраметакриловых и тетраакриловых мономеров [29].

Камфорхинон плохо растворим в воде, что в значительной степени ограничивает его применение. В качестве альтернативных водорастворимых фотоинициаторов, обеспечивающих сравнимые характеристики процесса фотосшивания, в ряде работ были предложены рибофлавин и эозин. Эозин нетоксичен, даже при его содержании в фотополимеризуемом материале 69 мг/л жизнеспособность клеток превышает 96%, а при концентрации рибофлавина 188 мг/л уровень выживаемости был выше 90% [30–32].

К фотоинициаторам типа I относят соединения ароматических кетонов и производных фосфина и фосфиноксида (табл. 2). Одним из наиболее изученных и используемых на практике фотоинициаторов является TPO. В работе, посвященной сравнению эффективности фотоинициаторов типа I и типа II, было показано, что степень полимеризации мономера при использовании TPO на 13% выше, чем при использовании системы камфорхинон– амин. Более того, доза излучения, необходимая для полимеризации композиции с CQ, в 4 раза превышала необходимую дозу для той же композиции с TPO [33]. Однако, по результатам изучения цитотоксичности TPO, жизнеспособность различных линий клеток не превышает 75% при концентрации фотоинициатора 17,4 мг/л [26]. Существенно меньшую токсичность продемонстрировал растворимый в воде модифицированный ионами лития фотоинициатор LAP, жизнеспособность клеток собирательных трубочек почки мыши составила 95%. Таким образом, несмотря на то что литий — нефротоксикант, модифицированный им LAP не обладал выраженным цитотоксическим эффектом [34].

Анализ литературных данных указывает, что фотоинициатор существенно влияет на цитотоксичность получаемого материала. Поэтому выбор фотоинициатора является одной из определяющих задач при формировании состава фотополимеризуемой композиции. С точки зрения биосовместимости предпочтительно использование фотоинициаторов типа II. Оценка эффективности и токсичности рассмотренных фотоинициаторов представлена в табл. 2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рост исследований по фотополимеризуемым композициям, перспективным в тканевой инженерии, свидетельствует о возрастающей потребности в материалах такого рода. Подходы к получению новых фотополимеризуемых материалов консервативны, и сохраняется тенденция преимущественного использования метода их получения путем метакрилирования различных биосовместимых олиго- и полимеров. Таким образом, основными направлениями разработки материалов оказываются подбор и комбинирование пропорций метакрилированных моно-, олиго- и полимеров для получения требуемых физико-механических свойств материала, при сохранении его биосовместимости.

В роли фотоинициирующих добавок для процесса радикальной полимеризации наиболее используемыми в течение последних лет остаются водонерастворимый камфорхинон и дифенил(2,4,6-триметилбензоат)фосфиноксид, проявляющие заметную цитотоксичность. В настоящее время найдены и исследуются соединения, сохраняющие способность эффективно инициировать радикальную полимеризацию, при относительно меньшем токсическом эффекте, например, эндогенный фотоинициатор рибофлавин, синтетические эозин и фенил(2,4,6триметилбензоил)фосфинат лития.

Исследования фотополимеризуемых композиций биомедицинского назначения, предлагаемые в современных научных публикациях, в подавляющем большинстве случаев не носят комплексного характера, ограниченно описывают свойства получаемого материала и проводятся на небольшом числе типов клеток, как правило, на одном единственном. Поэтому актуальны исследования, направленные на разработку, изучение физико-механических свойств, биологическое и клиническое испытание такого рода материалов.