Введение к работе
Актуальность работы. Одной из актуальных проблем современной химик является конструирование бноаналогичных, биодеградируемых макромолекулярных систем для решения сложнейших проблем биомеднцины: создания хирургических материалов и лекарств нового поколения, исскустценных систем, носящих биологические функции живого организма, систем вызывающих специфические реакции, мобили-зируя природные силы организма и т.д. Новые системы должны сочетать, с одной стороны хорошие инженерные свойства, с другой стороны, биосовисстнмость и био-дегралируемость. Важным лимитирующим фактором при конструировании биодеградируемых систем является возможная токсичность как самих полимерных материалов, так и продуктов их деградации. Исходя нз вышеизложенного, бесспорным является интерес к материалам созданным на основе мономеров природного происхождения.
Анализ работ, проведенных до наших исследовании по созданию биодерадируемых полимеров на основе природных мономеров, дает основание для заключения, что существующие материалы не полностю удовлетворяют возрзешие современные требования. Среди доступных биодеградируемых полимеров бесспорными лидерами сегодня являются полимеры АВ типа на основе природных а-окенкнелот - поли-а-эфнры, которые, однако, далеки от совершенства. Их N-содержащие аналоги на основе сг-ачннокислот - поли-а-амннокислоты - синтетические аналоги белков — оказались малопригодны в качестве биоматериалов из-за повышенной иммуногеи-ности^еудовлетворнтельных инженерных свойств н т.д.
Исходя из вышеизложенного, мы решили использовать аминокислоты в качестве «строительных» блоков и осуществить синтез гетероиепных полимеров т.н. ААВВ типа. Физиологическая природа аминокислот, их разнообразие, широкий спектр свойств с одной стороны и неканоническое строение полимерных цепей и содержание в них разнообразных гетеросвязей, с другой стороны, должны были обусловить неординарные свойства подобных систем.
На данном этапе новые достижения в науке о биоматерналах практически зависят от свойств новых полимеров, созданных с заранее заданными свойствами, с уникальными физико-химическими н биологическими свойствами. По мнению многих экспертов биоматериалы по популярности опередили даже материалы для радиоэлектроники. В этой области достигнуты определенные успехи, но технология бномате-риалов только начинает развиваться н здесь открываются неограниченные возможности.
Цель работы. Работа посвящается синтезу новых бноаналогичных макромолекулярных систем ААВВ типа на основе природных аминокислот, с использованием в качестве бне-куклеофильных н бис-электрофильных мономеров гидрофобных бифункциональных, а также полифункциоиальных аминокислот и их различных производных, синтезу полимеров с широкой гаммой свойств и высокой совместимостью с живой тканью, скорость биодаградации которых можно регулировать в широких пределах. Значительной составной частью работы, которая должна была определить достижение основной цели, является синтез мономеров: активированных эфиров а-
4.
шиноднкарбоновых и днацил-бис-а-амннокнслот, циклических активированных эфирав - бис-оксазолиноноа, N*. N'-бис -триметилснлнльных производных алкнло-выж эфиров а-диаминокарбоновых кислот, солен о.ш-алкнлеиднэфнров инс-а-амн-иокислот, изучение их свойств и реакционной способности. Для достижения конечной дгли необходимо было подобрать методы пэликондеисашш, приемлемые для гимтеза полимеров медицинской квалификации, изучить их закономерности, что важно как для развития метода полнконденсацин как фундаментальной науки, так и для разработки простых, удобных методов синтеза полимеров биомедішннского шезшчгоднг. Для выявления ценных с практической точки зрения полимеров необходимо было изучить мх физико-химические и биологические (токсичность, бносов-местимость, биодеградация in vitro и ш vivo ) свойства, выбрать информативный, удоньай метод исследования бнодеградации, установть зависимость между строением к свойствами полимеров, провести испытание полученных полимеров в качестве носителей лекарственных препаратов, хирургических материалов, биоактивных полимерных композитов и т.д.
Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование по синтезу и изучению фнзнко-хнмнческих и биологических свойств гетероцепных, бноанадогнч-ных, биодегрядируемых полимеров ААВВ тнпа на основе природных аминокислот. 8п;рвые осуществлен синтез высокомолекулярных полимеров ААВВ типа на основе полифункшюняльпых а-диаминокарбоповых, а-ампподнкарбоновых кислот, днме-ріпозйнньїї производных бифункциональных аминокислот -.\,.N'- днацил-бис-амн-нокислот, солей &,ш-алкилендюфиров бне-а-аминокнелот методом активированной пеликонденсашш, в ряде случаев сочетанием силилышй и активированной полнконденсацин. Изучены основные закономерности вышеупомянутых процессов полн-кокденсацшз. Впервые показано преимущество активированной полнконденсации по сравнению с другими методами для синтеза полнэфирамиа'ов на основе аминокислот. Впервые синтез полимеров с днпептиднымн и трипептндными фрагментами в ссковкой цени осуществлен по схеме, соласно которой формирование пептидных связей одновременно является и процессом роста полимерных цепей. Впервые на осковг аминокислот получены функциональные, водорастворимые полиамнноамн-дьг и полнамидокислоты, которые способны к дальнейшим полимераналогнчным превращениям. Получены активированные, а также водорастворимые неионноген-ны формы поликислот. С целью повышения скорости бнодеградации полиамидов впервые осуществлен их синтез с применением телехелнческнх олнгопептидов L-фенилаланина и Ь-леицина.
Впервые получены активировїіиіїЬіе эфиры М-защишенных а -амииодикарбоно-ЗЫ2 кислот (аспарагииовой к глутаминовой) и ІЧ^'-днацил-бис-ос-аміїнокислот. Усовершенствованы методы синтеза N ,Г<і'-диацнл-бі!с-амшіокислот и бне-оксазолн-иоеов. Впервые изучена кинетика аминолиза бис-оксазолннонов. На основе гидро-фсбї'Уі аминокислот и дколо» получены дн-п-толуолсульфонаты о; <в-алкнлёнди> фиров бне-а-аминокислот, которыг дагат возможность включения сложноэфнрных связен в основную цепь полимера, разработаны методы их синтеза.
Проведены систематические исследования по изучению физико-химических свойств полученных полимеров (растворимость, фазовое состояние, термические
- 5. свсйстзя). Установлена линейная корреляция з логарифмических коор шматах между пр.шадгшгзй вяз:хстыо лолнзфирашмдоз н молехулрнымм массами. Установлена микроструктура еіолі-йшідов, полученных на основе ліпшій. Опрсдел »ы колфигу-рацян эфирны* si кислотных форм ползі-адипонл-Ь-лніїїноа a paw імііьіх рясзвори-тгляж. Впервые получены биодеграднруемые полюфнраммдные тдрофпльиме зягітокерьі, Изучена бнссооместиместь полученных полимеров, бнодсградашія in vitro. Впервые показана возможность спонтанней иммобилизации ферментов на но-Сїрхіїсстп полпэфирамидов, я также способность их импрегнации с сохранением активности. Показана способность бнодеградацин полігзфирамндов in vivo. Получены гдякромолскулярные системы на основе аминокислот, скорость бнодеградацни которых можно регулировать а широких пределах.
Практическая ценность. Эфирные формы нолнамидоз синтезированных и. основе лизина перспективны для получения различных изделии бпомеянцинского назначения. На основе кислотной формы поли-№ІМс-ад>іпоил-бнс-Ь-л>ііина получены кова-ягитко иммобилизованные формы ферментов (трипсина, а -химотрннсиня, коді" іксії протгиназ папайи), которым присуща высокая степень сязыванпн белка, устойчивость к автолизу и термоинактивашш. Нмобилизованный плпанн стабилен в физиологических условиях и перспективен как для внутреннего, так и местного и наружного применения. Возможность регуляции активности ш.'обилизоианного пананна н способность обратимого выделения открывает перспективу для try использования в биотехнологии. Оксиэтиламидная форма нолі:-№',і*с-аді!!)Оил-бис-Ь-'.'ііпин с ковалентно иммобилизованным дофамн-нем, который перспективен в качестве препарата пролонгированного действия;. Полимеры полученные на основе полифункинональных аминокислот перспективны !Л!і г:олучеіі!ія биодеградируемых гидре .'елей.
Высокая биосовмсстнмость сополиамида, получение;.. на основе гЧ,М'-терефталоил-ОЬ'-феиилаланина, М,!Ч'-терефталОііл-ВЬ-аллшіа (50:50 мол%) л гекелмстилендна-мішз, а также данные иммунологических н токсикологических исследовании сспо-лкпеера, гемостатнческие свойства, способность дифференциации и направленного роста нервных клеток дает основание рекомендовать вышеупомянутый соло, і/мср для клинических чепытаннй.
Иолиэфнрамнды способные к деградации, легкоперерабатмваемые, перепкетнвные материалы для создания аллоимплантантов, исскуственной кожи (протекторов нов-ргадеиной кожи), протезов кровеносных сосудов, лечебных препаратов пролонгированного действия. Растворимость нолнзфпрлмндоз в летучих органических растворителях (этанол, хлороформ) открывает интересные перспективы ;мя мі'крокапсу-лпрааашіл биоактивных начал. Гидрофн.ньиые элястомерные полиэфирзмпды па основе леншша перспективные материалы для создании нсскустиешгой кожи, протезов кровеносных сосудов, депонированных форм лекарств. Пмпрегннрованныс фер-чгнгом биоактивные композиты перспективны в качестве нсскуствснноіі кожи, рассасывающихся хирургических материя.- jb, систем контролируемого выделения лекарств и т.д. Полиэфнрамиды, импрегннронаниыепепротеззными ферментами
6.
перспективные материалы для создания нскуственных желез, напр. для выделения
инсулина і; т.д. с
Личный вклад автора. В диссертационной работе обобщены научные данные полученные автором и квалификационных работ полученных под руководством автора. Апробации работы. Основные материалы были доложены на: К Международном микросимпозиуме по поликонденсации. 1983 (Венгия, Г.Будапешт); Международном симпозиуме «Макоо-83», ШРАС, 1983 (Румыния, г.Бухарест); VI Всесоюзном симпозиуме «Полимеры медицинского назначения», 1983 (Казахстан, г. Алма-Ата), VIII Национальном симпозиуме с Международным участием, «Полимеры 83» 1983 (Болтания, г. Варна); ХХП Всесоюзной конференции по химии высокомолек. соед., 1985 (Казахстан, г. Алма-Ата); V Всесоюзном симпозиуме по инженерной этимологи», 1985 (Грузия, Кобулетн); X Международном микроснмпозиуме по полнкоішенсацни, 1985 (Болгария, Солнечный берег); XI Международном микросимпозиуме по поликонденсации, 1987 (Чехословакия, г. Прага); VU Всесоюзном симпозиуме по химии белков И пептидов, 1987 (Эстония, г.Таллин); VI Международной конференции «Полимеры в медицине н хирургии», 1989 (Голландия, г. Ливенхорт), XVII Всесоюзном научном симпозиуме, 1989 (Украина, г. Киев); XXII микросимпозиуме по лоликонденсацш!, I9S9 (Германия, г.Шверин); XVII Всесоюзной конференции «Синтез и" рсакионная способность органических соединений серы», 1989 (Грузия, г.Тбилисн)-Всесоюзном симпозиуме по химии пептидов, 1990 (Латвия, г. Рига); IX Всесоюзном симпозиуме «Синтетические полимеры медицинского назначения» 1991 (Россия, і.Звенигород); XXXIV Международном симпозиуме по макромолекулам, 1992 (Чехословакия, гЛрага); Российско-Германском симпозиуме «полимеры со специфическими свойствами», 1993 (Россия, г. Москва); съезде физиологов Грузни, 1995 (Грузия, г.Тбилиси); Международном симпозиуме «Новые подходы в синтезе полимеров и формировании макромолекул 1997 (Россия, Санкт-Петербург).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 научных статей в отечественных и международных журналах, 19 тезысов, 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 309 страниц машинописного текста, 28 рисунка, 52 таблиц, состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, библиографии (250 наименований) и приложения,