Леонид Глущенко, MD, PhD, MBAС чего начинается выбор
Изделие диктует материал, а не наоборот. До того как обсуждать марку полимера, нужно зафиксировать четыре вещи: сколько времени изделие обязано держать механическую нагрузку, в какой среде оно работает, какой срок деградации допустим и каким методом его предстоит перерабатывать — экструзией, литьём под давлением или печатью.
Только после этого имеет смысл смотреть на состав. Все материалы в каталоге — алифатические полиэфиры, которые собираются из пяти мономеров: L-лактида, DL-лактида, гликолида, ɛ-капролактона и триметиленкарбоната. Исходным сырьём для производства молочной кислоты служат ежегодно возобновляемые ресурсы — кукуруза и сахарный тростник.
Пять семейств материалов
Каждое семейство — это своё соотношение звеньев и свой диапазон сроков деградации.
| Материал | Соотношение звеньев | Срок деградации |
|---|---|---|
| Полилактид (PLLA, PDLLA) | L/D-звенья: 100/0, 50/50, 70/30, 0/100 | от 6 мес. до 5 лет |
| Полигликолид (PGA) и PGLA | гликолид/L-лактид: 100/0, 90/10, 15/85 | от 2 до 12 мес. |
| PLGA | D,L-лактид/гликолид: 85/15, 75/25, 50/50 | от 1 до 6 мес. |
| Поли(ɛ-капролактон) (PCL) | полимеризация ɛ-капролактона | 3–4 года |
| PLCL | L-лактид/ɛ-капролактон: 90/10, 75/25, 50/50 | от 3 до 18 мес. |
Нагляднее всего состав работает на полилактиде: его свойства и надмолекулярная структура меняются в широком диапазоне при изменении содержания звеньев L- и D-формы молочной кислоты. Один и тот же мономер даёт и материал с деградацией до пяти лет, и быстро рассасывающийся состав.
Механика: кто держит нагрузку
| Материал | Модуль Юнга | Прочность | Деформируемость |
|---|---|---|---|
| Полилактид (PLLA, PDLLA) | 1,5–4 ГПа | 40–60 МПа | 1–10 % |
| PGA / PGLA | 3–7 ГПа | 50–100 МПа | 1–10 % |
| PLGA | 1–2 ГПа | 30–40 МПа | 1–10 % |
| PCL | 0,2–0,4 ГПа | 20–40 МПа | 300–1000 % |
| PLCL | 0,3–1,5 ГПа | 20–50 МПа | 30–1000 % |
Из таблицы видно два противоположных класса. Жёсткие и прочные — PGA и PGLA (модуль 3–7 ГПа, прочность 50–100 МПа) и полилактид (1,5–4 ГПа, 40–60 МПа): это нити, сетки, трубки и опорные элементы имплантатов. Эластичные — PCL и PLCL с деформируемостью 300–1000 % и 30–1000 % соответственно: там, где материал должен работать на больших деформациях, жёсткий полиэфир не подходит.
Температурные параметры задают режим переработки. Температура стеклования меняется от −60 °C у PCL до 45–60 °C у полилактида, температура плавления — от 60–65 °C у PCL до 180–230 °C у PGA и PGLA. Для PCL с его низкой температурой плавления режим переработки и стерилизации подбирают отдельно; в технологической цепочке для этого предусмотрены в том числе низкотемпературные циклы этиленоксида.
Молекулярная масса и концевые группы
Два параметра, которые настраиваются независимо от соотношения мономеров.
Молекулярная масса — от 1 000 до 500 000 Да. Она задаёт механическую прочность и срок деградации: от низкомолекулярных марок для лекарственных форм до высокомолекулярных для имплантатов с длительным сроком деградации.
Концевые группы — гидрокси-, карбокси-, эфирные и функциональные. Вид концевой группы влияет на скорость гидролиза и на кинетику высвобождения активного вещества. Для лекарственных форм пролонгированного действия это такой же рабочий параметр, как соотношение лактида и гликолида.
От состава — к форме выпуска
Один и тот же материал можно выпустить в разных формах; выбор формы тоже часть задачи.
- Волокна и хирургические нити: мононити (одно волокно диаметром более 100 мкм), микроволокна (не более 100 мкм) и мультифиламентные нити из большого числа микроволокон. Ориентирование волокон улучшает их механические свойства, стабильность размеров и гибкость.
- Полимерные трубки: экструзия из расплава, различный диаметр и толщина стенки. Дополнительная термомеханическая обработка улучшает механические характеристики.
- Плёнки толщиной от 50 до 500 мкм: противоспаечные материалы и компоненты систем трансдермальной доставки лекарств.
- Микросферы диаметром от 0,1 до 80 мкм с узким распределением по размерам: дермальные филлеры, системы пролонгированного высвобождения лекарств, тканевая инженерия.
- Материалы для 3D-печати: прутки 1,75 мм из полимеров лактида медицинской чистоты для FDM-печати и гранулированные полимеры для биопечати.
Когда готовой марки не хватает
По техническому заданию заказчика мы синтезируем полимер с точно заданным составом, молекулярной массой, модифицированными концевыми группами и специальной архитектурой — синтез на заказ. Дальше изделие проходит шесть этапов научно-технологического сервиса: техническое задание, техническое предложение, проектирование и разработка, опытное производство, доработка опытного образца и производства, запуск серийного производства.
Порядок действий
- Зафиксировать, сколько времени изделие держит нагрузку, и допустимый срок деградации.
- Выбрать семейство по механике: жёсткая опора (полилактид, PGA/PGLA) или высокая деформируемость (PCL, PLCL).
- Уточнить состав внутри семейства — соотношение звеньев сдвигает и срок деградации, и свойства.
- Задать молекулярную массу и концевые группы.
- Проверить температурный режим переработки, упаковки и стерилизации.
О том, как именно состав и молекулярная масса сдвигают сроки рассасывания, — в статье «Срок деградации: от 1 месяца до 5 лет».