БИОСОВМЕСТИМЫЕ ЭЛАСТИЧНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ С МНОГОСТЕННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ ДЛЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ ХИРУРГИИ

Основные положения

Включение многостенных углеродных нанотрубок в структуру полимерной матрицы поли(стирол-блок-изобутилен-блок-стирола) приводит к увеличению прочности на разрыв и модуля Юнга нанокомпозитов. Полученные материалы сохраняют высокую биосовместимость и могут быть использованы в качестве элементов имплантируемых кардиоваскулярных изделий.

Резюме

Цель. Синтез и модифицирование поли(стирол-блок-изобутилен-блок-стирола) (СИБС) многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ) двух типов в различных концентрациях для улучшения механических свойств.

Материал и методы. Синтезировали СИБС методом контролируемой катионной полимеризации. Получали полимерные нанокомпозиты с использованием ультразвукового диспергирования 1, 2, 4 и 8% МУНТ с последующим литьем пленок из раствора полимера. Подвергали материалы механическим испытаниям в условиях одноосного растяжения. Оценивали прочность на разрыв, упруго-деформационные свойства и пластическую деформацию при циклическом нагружении. Анализировали структуру нанокомпозитов методом сканирующей электронной микроскопии. Гидрофильность поверхности материалов изучали, измеряя контактный угол смачивания водой. Цитотоксичность полимерных пленок оценивали по жизнеспособности, метаболической активности эндотелиальных клеток, культивированных на поверхности нанокомпозитов.

Результаты. Получили полимерные нанокомпозиты с равномерным распределением МУНТ в структуре. Прочность пленок СИБС, модифицированных 1% МУНТ диаметром 50–90 нм, на разрыв увеличилась на 16,4% по сравнению с чистым полимером СИБС. Увеличение концентрации МУНТ до 8% приводило к снижению прочности материалов на 19,6%. Включение наночастиц в состав полимерной матрицы более чем в 2,4 раза повышало модуль Юнга полимеров с содержанием МУНТ более 4%. С ростом концентрации МУНТ в составе нанокомпозитов увеличивалась гидрофильность, тогда как цитотоксичность образцов по отношению к эндотелиальным клеткам отсутствует.

Заключение. Нанокомпозиты на основе СИБС и МУНТ благодаря высокой прочности и биосовместимости могут быть материалом для разработки медицинских изделий, контактирующих с кровью, в частности искусственных клапанов сердца.

1. Teo A.J.T., Mishra A., Park I., Kim Y.-J., Park W.-T., Yoon Y.-J. Polymeric Biomaterials for Medical Implants and Devices. ACS Biomater. Sci. Eng. 2016; 2(4): 454–472. doi:10.1021/acsbiomaterials.5b00429

2. Tetali S.S.V., Fricker A.T.R., van Domburg Y.A., Roy I. Intelligent biomaterials for cardiovascular applications. Curr. Opin. Biomed. Eng. 2023; 28: 100474. doi:10.1016/j.cobme.2023.100474

3. Huab X., Wangab T., Li F., Mao X. Surface modifications of biomaterials in different applied fields. RSC Adv. 2023; 13: 20495-20511. doi:10.1039/D3RA02248J

4. Narayan R. Nanobiomaterials; Woodhead Publishing: Cambridge, UK; 2018. pp. 357–384.

5. Shahbaz A., Hussain N., Mahmood T., Iqbal H.M.N., Emran T.B., Show P.L., Bilal M. Polymer nanocomposites for biomedical applications. In Micro and Nano Technologies, Smart Polymer Nanocomposites Design, Synthesis, Functionalization, Properties, and Applications. Editor(s): Ali N., Bilal M., Khan A., Nguyen T.A., Gupta R.K. Elsevier; 2023. pp. 379-394. doi:10.1016/B978-0-323-91611-0.00012-8

6. Maiti D., Tong X., Mou X., Yang K. Carbon-Based Nanomaterials for Biomedical Applications: A Recent Study. Front. Pharmacol. 2019; 9: 1401. doi:10.3389/fphar.2018.01401

7. Eatemadi A., Daraee H., Karimkhanloo H., Kouhi M., Zarghami N., Akbarzadeh A., Abasi M., Hanifehpour Y., Joo S.W. Carbon nanotubes: Properties, synthesis, purification, and medical applications. Nanoscale Res. Lett. 2014; 9: 393. doi:10.1186/1556-276X-9-393

8. Kalakonda P., Banne S., Kalakonda P. Enhanced mechanical properties of multiwalled carbon nanotubes/thermoplastic polyurethane nanocomposites. Nanomater. Nanotechnol. 2019; 9: 184798041984085. doi: 1847980419840858

9. Crosby A.J., Lee J. Polymer Nanocomposites: The “Nano” Effect on Mechanical Properties. Polym. Rev. 2007; 47(2): 217–229. doi: 10.1080/15583720701271278

10. Tjong S.C. Structural and mechanical properties of polymer nanocomposites. Mater. Sci. Eng. R Rep. 2006; 53(3-4): 73–197. doi: 10.1016/j.mser.2006.06.001

11. Jumaili A., Alancherry S., Bazaka K., Jacob M. Review on the Antimicrobial Properties of Carbon Nanostructures. Materials. 2017; 10(9): 1066. doi: 10.3390/ma10091066

12. Mohd Nurazzi N., Asyraf M.R.M., Khalina A., Abdullah N., Sabaruddin F.A., Kamarudin S.H., Ahmad S., Mahat A.M., Lee C.L., Aisyah H.A. Fabrication, Functionalization, and Application of Carbon Nanotube-Reinforced Polymer Composite: An Overview. Polymers. 2021; 13(7): 1047. doi: 10.3390/polym13071047

13. Alshehri R., Ilyas A.M., Hasan A., Arnaout A., Ahmed F., Memic A. Carbon Nanotubes in Biomedical Applications: Factors, Mechanisms, and Remedies of Toxicity. J. Med. Chem. 2016; 59(18): 8149–8167. doi:10.1021/acs.jmedchem.5b01770

14. Mishra M.K., Sar-Mishra B., Kennedy J.P. Polym. Bull. 1986; 16: 47-53. doi:10.1007/BF01046608

15. Rezvova M.A., Yuzhalin A.E., Glushkova T.V., Makarevich M.I., Nikishau P.A., Kostjuk S.V., Klyshnikov K.Yu., Matveeva V.G., Khanova M.Yu., Ovcharenko E.A. Biocompatible Nanocomposites Based on Poly(styrene-block-isobutylene-block-styrene) and Carbon Nanotubes for Biomedical Application. Polymers. 2020; 12(9): 2158. doi:10.3390/polym12092158

16. Pinchuk L., Wilson G.J., Barry J.J., Schoephoerster R.T., Parel J.M., Kennedy J.P. Medical applications of poly(styrene-block-isobutylene-block-styrene) (“SIBS”). Biomaterials. 2008; 29(4): 448–460. doi: 10.1016/j.biomaterials.2007.09.041

17. Silva M., Alves N.M., Paiva, M.C. Graphene-polymer nanocomposites for biomedical applications. Polym. Adv. Technol. 2017; 29(2): 687–700. doi: 10.1002/pat.4164

18. Gilmore K.J., Moulton S.E., Wallace G.G. Incorporation of carbon nanotubes into the biomedical polymer poly(styrene-β-isobutylene-β-styrene). Carbon. 2007; 45(2): 402–410. doi: 10.1016/j.carbon.2006.09.015

19. Nezami R.F., Athanasiou L.S., Edelman E.R. Chapter 28 - Endovascular drug-delivery and drug-elution systems, Editor(s): Jacques Ohayon, Gerard Finet, Roderic Ivan Pettigrew, In Biomechanics of Living Organs, Biomechanics of Coronary Atherosclerotic Plaque, Academic Press. 2021; 4: 595-631.

20. Salah N., Alfawzan A.M., Saeed A., Alshahrie A., Allafi W. Effective reinforcements for thermoplastics based on carbon nanotubes of oil fly ash. Sci. Rep. 2019; 9: 20288. doi: 10.1038/s41598-019-56777-1.

21. Zhang J., Jiang D. Interconnected multi-walled carbon nanotubes reinforced polymer-matrix composites. Composites Science and Technology. 2011; 71(4): 466–470. doi:10.1016/j.compscitech.2010.12.020.

22. Gaharwar A.K., Patel A., Dolatshahi-Pirouz A., Zhang H., Rangarajan K., Iviglia, G., Shin S.-R., Hussain M.A., Khademhosseini A. Elastomeric nanocomposite scaffolds made from poly(glycerol sebacate) chemically crosslinked with carbon nanotubes. Biomater. Sci. 2015; 3: 46–58.