Электроспиннинг — это что-то новенькое?

Электроспиннинг — это не удочка с моторчиком. Так за рубежом, а теперь и у нас стали называть способ получения нановолоконных материалов, которые нашли широкое применение в биомедицине. Возможен также иной перевод термина electrospinning — электроформование, но его преимущественно употребляют в технической литературе. Именно этим способом давно производят широко известный у нас материал ФП, или «фильтр Петрянова». Наш рассказ — о новом применении нановолоконных материалов и об истоках возникновения различий в терминологии.

Фото А.В. Товмаша

Электрораспыление и прядение

Название «электрический спиннинг» придумал немецкий изобретатель Антон Формхальс для способа получения искусственного волокна в электростатическом поле, или электропрядения. Этот термин у нас пошел в ход, есть у него и английский эквивалент — electrospun. За десять лет, с 1934 по 1944 год, Формхальс получил три патента США, а на вариант подобного способа в 1936 году был выдан еще один патент американскому изобретателю Чарльзу Нортону. Но задолго до этого, еще в 1902 году, были выданы два патента США на способ и устройства диспергирования жидкостей под действием электрического поля.

Принцип электроспиннинга заключается в следующем. При наложении электрического поля на металлический капилляр с жидкостью (с расплавом или раствором полимера) она заряжается, и плоский мениск становится выпуклым (см. схему). При определенных условиях — важны, в частности, напряженность поля, вязкость, скорость подачи жидкости — поле начинает вытягивать струйку, сечение которой оказывается меньше диаметра капилляра. Если к тому же это был раствор полимера, то из-за испарения растворителя волокно становится еще тоньше. Можно добиться, чтобы его диаметр составил всего несколько нанометров. Изменяя условия процесса, можно распылить жидкость и получить не нановолокна, а наношарики. Ни германские, ни американские капиталисты не заинтересовались тогда запатентованными методами, однако само явление привлекло внимание ученых. Среди них был выдающийся физик и математик сэр Джеффри Ингрэм Тейлор (1886—1975). Имена изобретателей электрораспыления и прядения хранятся лишь в описаниях патентов, а именем Тейлора названы несколько эффектов в гидродинамике, теорема, критерий подобия и многое другое. Когда ему было уже 80 лет, он занялся описанием поведения капелек воды в сильном электрическом поле, в частности, во время грозы. В 1964 году Тейлор теоретически рассчитал главный параметр процесса электрораспыления — искривление мениска в капилляре. Появился новый термин — конус Тейлора. Электрораспыление нашло техническое применение в ракетных двигателях небольшой мощности, в масс-спектрометрии. Стала развиваться также количественная теория электропрядения, которая спустя 30 лет смогла стать основой решения практических задач.

В одном из патентов 1902 года источником постоянного напряжения для электропрядения служила электростатическая машина. Такой же машиной из школьного кабинета пришлось поначалу пользоваться сотрудникам Петрянова при эвакуации лаборатории в Березники. Вместо плоского столика можно взять вращающийся барабан и получить слой «ваты» из микроволокон

Боевые фильтры в обмен на дымовые шашки

В СССР интерес к электропрядению оказался гораздо выше, чем за рубежом, правда, его промышленную технологию пришлось осваивать в тяжелое время Великой Отечественной войны. Эпизоды этой истории мало кому известны, поэтому расскажем о них.

Накануне войны, а именно в 1940 году, на опытной базе Калининского военно-химического училища были запущены две установки по новым разработкам: отравляющего вещества (ОВ) и боевого фильтра (БФ) для противогазов. Продукции, чтобы ее как-то называть, присвоили литеру «А». Это ОВ широкого применения не получило, и о нем мало что известно. Технология БФ была разработана в Лаборатории аэрозолей № 6, организованной в Карповском институте в 1932 году как Лаборатория пылей и туманов. От ветеранов института еще можно услышать предание, согласно которому на самом деле электроформованием хотели сделать аэрозольную пыль, но капельки вытягивались, и получался пух. Директор института А.Н. Бах всякий раз, когда бывал в лаборатории, интересовался: «Что это у вас тут за паутина? Вы все в пуху». Возникла идея: собрать на марлевую основу этот пух и превратить его в фильтр. В 1938 году на имя И.В. Петрянова-Соколова и Н.А. Фукса было выдано авторское свидетельство № 3444 с грифом «совершенно секретно» на «способ получения волокон из всех полимеров» методом электроформования. К этому времени Фукс уже был арестован и репрессирован по известной 58-й статье. Петрянов принял на себя руководство лабораторией и все заботы по технической реализации способа, за что впоследствии ему и его сотруднице Н.Д. Розенблюм была присуждена Сталинская премия.

В первые же дни войны было решено создать эти литерные производства в городе Березники Молотовской (Пермской) области, где работал цех по производству иприта. Уже в конце июня 1941 года на Березниковский азотно-туковый завод для организации выпуска БФ командировали И.В. Петрянова с сотрудниками лаборатории. Строить новое помещение для производства времени не было, а подходящего — не нашлось, решение откладывалось. Молодой профессор Петрянов (ему еще не исполнилось и 35 лет) вдали от института, эвакуированного в Ташкент, должен был на месте решать все проблемы обеспечения товарищей жильем, деньгами, карточками и прочим, но главное — суметь выполнить задание Комитета обороны. Помог случай.

В неразберихе начала войны трудно приходилось всем. В частности, руководству Первого калийного комбината, который располагался в Соликамске (20 км от Березников), было поручено создание производства хлоридных дымовых шашек, о которых на комбинате никто не имел никакого представления. В Карповском институте этими шашками занимались, и, вероятно, в той самой лаборатории № 6. Возникло сотрудничество. Петрянов заключил договор, по которому лаборатория № 6 выдала производственный регламент. Калийкомбинат по согласованию с уполномоченным Наркомата химической промышленности, находившимся в областном центре — городе Молотове, разместил объект 500 в помещении бытовок своего горного цеха. Боевые фильтры делались руками сотни девочек в возрасте 16–17 лет. С сырьем в войну, конечно, были большие проблемы. В институте фильтр получали, распыляя полимер, растворенный в ацетоне. На калийном заводе ацетона не нашлось, и технологию изменили на ходу, применив другой растворитель — этилацетат. После решения множества сложных проблем материал БФ, он же фильтр Петрянова, сделанный из тончайших волокон методом электроформования, в 1942 году был принят комиссией. Им начали оснащать войсковые противогазы. Этот нетканый материал из микроволокон прекрасно задерживал мельчайшие частицы пыли и тумана ОВ, размер которых исчисляется нанометрами.

Кончилась война. Среди боевых трофеев нашли разработки по новым фосфорорганическим отравляющим веществам и уже готовый зарин. Оказалось, что против них материал ФП защищает плохо, быстро теряет свойства. В противогазных коробках его снова заменили на асбокартонные фильтры. Однако для ФП нашлась работа в ядерном проекте. Сначала из уникального материала пробовали делать барьерные мембраны для разделения изотопов U235—U238, затем прессовали пористые перегородки для электролизеров тяжелой воды, а вскоре фильтры Петрянова стали применять для анализа радиоактивных аэрозолей в воздухе и очистки от них.

Фильтр от нано

В нашей стране и сейчас микро- и нановолоконные материалы, полученные электроформованием, используют достаточно широко, но исключительно в качестве фильтров в атомной и других отраслях промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Из них делают универсальные респираторы типа «Лепесток», способные защитить не только от нанопыли, но и от бактерий и вирусных частиц, летающих в воздухе. Одно время были доступны и широко разрекламированы шумопоглощающие тампоны — «Беруши». А вот разработка антисептических и терапевтических перевязочных средств из этих материалов, проводимая в Карповском институте и Институте хирургии РАМН им. А.В. Вишневского, только сейчас вышла на стадию испытаний. Впрочем, интерес к ФП должен усилиться. Ведь развитие нанотехнологий приносит не только чистую пользу, но и «наноотходы», которых станет больше.

Очевидно, что наночастицы, обладая в силу своего размера специфическими свойствами, могут иметь и повышенную биологическую активность. За примерами ходить далеко не надо; наночастицы серебра — отличный бактерицид. Попав в водоем во время стирки наноносков, отбивающих запах пота, они способны наделать немало бед (см. «Химия и жизнь» 2008 №9). К гораздо большим проблемам наночастицы могут привести не при использовании созданных с их помощью материалов — там они, скорее всего, будут находиться внутри какого-то твердого вещества, — а во время производства, пока они находятся в своей исходной форме — в виде мелкой пыли. Очевидно, что и работников такого производства, и окружающую среду надо от этой пыли защищать. ФП для этого отлично подходят. Как оказалось, труднее всего улавливать не мелкую пыль, а частицы промежуточного размера — свыше 100 нм. Более точно этот размер определяется диаметром волокна и скоростью фильтрации. Сейчас есть много различных марок ФП, и для каждого конкретного случая можно выбрать подходящий. Существуют и совершенствуются универсальные фильтры в виде композитов из волокон разного диаметра.

ФП и мир

В открытую печать сведения о материале ФП стали поступать к концу 1960-х годов. Однако иностранные, прежде всего американские, специалисты большого внимания к ним не проявили. Отчасти это связано с тем, что на объектах атомного комплекса США наряду с усовершенствованными асбоцеллюлозными фильтрами успешно применяли материал из стеклянных микроволокон. Сведения о самом процессе получения материала ФП оставались засекреченными, авторское свидетельство Фукса и Петрянова до сих пор не раскрыто. Ученики И.В. Петрянова-Соколова в 2007 году выпустили в США монографию, отражающую наши достижения в теории и практике получения ФП. Однако особого интереса она не вызвала, поскольку на Западе подобные результаты уже были получены независимо, а ссылки на работы советских и постсоветских авторов в иностранной научной печати обычно отсутствуют. Близкого перевода термин «электроформование» так и не получил.

За рубежом недостатка в обзорах и монографиях по вопросам получения и применения нановолоконных материалов нет. Автор или соавтор нескольких свежих изданий на эту тему — молодой профессор Сирам Рамакришна из Национального университета Сингапура. Посетители русского Интернета о нем могли узнать из ленты новостей, где сообщалось о запатентованном способе изготовления зубных пломб из нанокомпозитного материала, первоначально разработанного им для танков и бронежилетов. (По опыту одного из авторов более актуально иметь не пломбы, а неломающиеся вставные протезы. Не над тем работал профессор...)

Вообще, за рубежом число публикаций по проблеме электропрядения с недавнего времени стало расти экспоненциально и за последнее десятилетие приблизилось к тысяче. Преобладают сообщения об исследованиях собственно процесса получения материала и его свойств — 62%. Помимо традиционного использования для фильтрации газов и жидкостей, нановолоконные материалы нашли много разнообразных приложений. Для краткого экскурса мы выбрали область биотехнологии и биомедицины, к которой принадлежит больше всего исследований и разработок (20%). Такое внимание к этому направлению имеет общий характер. В этом году Большую премию «Миллениум» присудили не представителям электронного и информационного хайтека, а Роберту Лангеру — пионеру биомедицины (об этом «Химия и жизнь» писала в сентябрьском номере за этот год. — Примеч. ред.). Лангеровскими работами мы и воспользуемся в качестве ориентира.

Принимать по 20 молекул каждый час

Получив химическое образование, Лангер в 1974 году определился на работу к известному онкологу Иуде Фолкману в Бостонский детский госпиталь. Вскоре он начал разрабатывать свою идею дозированной доставки лекарств по месту в нужный орган: если внедрить препарат в полимерную биоразлагаемую матрицу, то количество доставляемого препарата в орган будет равно скорости разложения полимера. Метод контролируемого высвобождения лекарств открыл, например, путь химиотерапии мозговых опухолей. Поступление лекарств в мозг из кровотока ограничено гематоэнцефалическим барьером, но если сделать операцию и имплантировать в район опухоли разлагаемую таблетку, то можно обеспечить длительное поступление нужного препарата. Федеральное агентство США по пищевым продуктам и лекарственным средствам (ФДА), один из комитетов которого возглавляет и сам Лангер, одобрило в 1996 году широкое применение подобных лекарственных форм — ваферов (вафлей).

Группа Цзи Хуа Вана из Национального университета Сингапура, применяя различные технические средства, в том числе электрораспыление и электропрядение, стремится улучшить результаты Лангера. В одной из работ они внедрили в волоконную матрицу противораковый препарат «Паклитаксель» полусинтетический аналог природного препарата «Таксол», выделенного из коры тиса (см. «Химию и жизнь» 2004 №7). Приведем некоторые детали, чтобы стало ясно, на какую стадию вышла эта работа. Диаметр волокон матрицы из биоразлагаемого полимера молочной кислоты удалось проварьировать от 10 нм до 10 мкм, меняя электропроводность раствора добавками органической соли. В этих волокнах «Паклитаксель» находился в состоянии твердого раствора, скорость его выделения линейно менялась пропорционально квадратному корню из времени. За два месяца матрица с нановолокнами теряла 80%, а с микроволокнами — около 60% препарата. Эффективность этого препарата проверяли in vitro на модельной культуре раковых крысиных клеток «Глиома 6». По мнению авторов, такой вафер может быть использован как альтернативное средство лечения опухолей мозга.

Чжань Фэн Ван (китайский однофамилец Цзи Хуа Вана) с соавторами достигли стадии испытания «Пакситакселя», внедренного в подобную микроволоконную матрицу, уже на живых мышах, то есть in vivo. Образование опухоли у них вызывали введением клеток той же линии «Глиома 6». Таким образом, для любого изученного материала биоразлагаемой матрицы уже можно заранее выбрать условия электропрядения (диаметра волокна), чтобы обеспечить требуемую скорость высвобождения препарата в живом организме.

За тканью ткань

В 1997 году Джозеф Ваканти, один из четырех братьев, успешно работающих в области биомедицины в контакте с Лангером, эффектно подвел итог своей восьмилетней работы созданием химерной «ушастой мыши». Под его руководством в матрицу в виде ушной раковины трехлетнего ребенка были внесены клетки коровьего хряща (хондроциты). Матрицу сформовали из саморассасывающихся волокон полигликолевой кислоты, которые хирурги используют для «бесшовных швов». Подготовленную матрицу, так называемый графт, поместили под кожу мутантной мыши. Она не имела шерсти, но, главное, не обладала иммунитетом, поэтому проблем с отторжением не возникло. Мышь сыграла роль биореактора — обеспечила условия для роста хряща, а также внешнюю защиту — раковина обтянулась безволосой шкурой. На спине бесшерстной мыши обрисовалось человеческое ухо, совсем как настоящее и почти такого же размера, как и она сама.

Конечно, это вызвало сенсацию. Научное достижение состояло вот в чем: делящиеся животные клетки могут сформировать на подложке лишь несколько слоев, далее подстилающие клетки начинают отмирать из-за недостатка питания и неэффективного удаления отходов жизнедеятельности. В объемной матрице ткань не только растет, но ее клетки сами распределяются по предназначенным им местам, закрепляясь там после рассасывания каркаса. Позже выяснилось, что рост клеток оказывается чувствительным ик шероховатости подложки в наномасштабе. Трехмерные матрицы стали компоновать из двухмерных слоев, получаемых техникой нанолитографии, нанопечати и другими.

Через десять лет третьим ухом обзавелся и человек. Им стал Стеларк — художник-футуролог из Австралии (настоящее имя Стелиос Аркадио), который не только считает, что человек несовершенен, но и предлагает способ поправить природу. Например, Стеларк спроектировал третью руку и нашел ей место рядом с правой. Конечности еще не научились выращивать, поэтому в качестве первого шага ему на левую руку в лаборатории «Симбиотик А» вживили ухо — копию его собственного. В дальнейшем ухо планируют радиофицировать, но это нас должно интересовать меньше, чем описание матрицы. А вот о ней ничего не сообщается, работа все-таки не строго научная. Известно, что графт получен с человеческими хондроцитами, выдерживался во вращающемся «микрогравитационном» биореакторе и на него нанесли кожный покров, выращенный из стволовых клеток Стеларка.

Порой становится затруднительно провести грань между матрицей — каркасом будущей ткани и вафером — капсулой препарата. Группа исследователей из Гарвардской медицинской школы и Бостонского детского госпиталя пришла к выводу, что результаты первых клинических испытаний микрохирургической тканевой терапии инфарктов можно улучшить. Как показали опыты на крысах, вводимые в район поражения стволовые клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты) растут в организме пациента медленнее и прекращают это делать быстрее, нежели при выращивании в регулируемой среде in vitro. Поврежденная сердечная мышца заживает быстрее, если одновременно с кардиомиоцитами вводить микрочастицы белковых нановолокон, включающие фактор роста FGF1. Белки также участвуют в регенерации ткани, помогая росту кровеносных сосудов. В работе были использованы короткоцепочечные пептиды и фактор роста. В растворе пептиды образовывали клубок нановолокон. Результаты можно было улучшить при использовании комбинации «фермент p38 MAP киназа/фактор роста FGF1», это позволяло также избежать образования шрамов на поврежденном участке сердца. Получаемую суспензию микроваферов с регуляторами роста и другими добавками можно вводить шприцем вместе со стволовыми клетками и повышать выживаемость стволовых клеток.

Различные модификации пептидных матриц уже получены методом электропрядения разными авторами, но они еще не опробованы в деле. Электропрядение обладает поистине неограниченными возможностями в выращивании различных тканей: кожной, костной, соединительной и даже нервной, а также кровеносных сосудов и клапанов сердца.

Схема выращивания третьего уха

Ремонтируем нервы

Среди тех, кому удалось восстановить поврежденный нерв, нередко называют имя другого Ваканти — Чарльза. Вместе с сотрудниками он сначала вызывал паралич крыс, удаляя участок периферического нерва размером в несколько миллиметров. Нерв можно сравнить с электрическим кабелем — внутри изоляции тянутся нити аксонов. Восстановительную матрицу исследователи получали, раздувая пену биоразлагаемого сополимера молочной и гликолевой кислот, чтобы в ней появились вытянутые поры-каналы. Если в поврежденный участок помещали графт из такой матрицы со свиными стволовыми клетками, то через полтора месяца животное уже могло двигать конечностями.

Группа Рамакришны сделала несколько видов матриц для выращивания нервной ткани. Одну, из полилактата, получили методом разделения фаз двух жидкостей. Для изготовления другой создали микронамоточный станок. С его помощью на тефлоновую оправку навивали оплетку из микроволокон (сополимер молочной и гликолевой кислот + хитозан). Авторы надеются, что такая матрица также будет полезна для выращивания тканей с трубчатым каркасом (кровеносных сосудов, спинного мозга, кишечника). Они изготовили и матрицы методом электропрядения из микро- и нановолокон разной ориентации. Самые лучшие результаты были получены с матрицей из продольно ориентированных нановолокон полимолочной кислоты.

Отличный каркас для формирования нервной ткани получается с применением новой модификации техники электропрядения — «процесса электроспиннинга близкого поля» (NFES). От обычного он отличается стократным уменьшением расстояния между электродами — 3 мм вместо 30 см. Соответственно в пять раз уменьшается необходимое для вытягивания нити напряжение поля — 600 В вместо 30 кВ. Благодаря этому «электропряжа» не спутывается, и вместо нетканого полотна удается получить строго упорядоченную структуру. В результате волокна в тканом протезе располагаются вдоль его оси. Процесс NFES разработан в Калифорнийском университете (Беркли).

Свой рассказ в новых приложениях электропрядения мы завершим на той же теме бифункциональных матриц. Год назад опубликована работа, выполненная под руководством Кама Леонга из Университета Дьюка (Северная Каролина). Для изготовления матриц использовали биоразлагаемый сополимер ε-капролактона и этилэтиленфосфата (PCLEEP). Тоненькие пластинки полимера сворачивали в тубы и склеивали раствором PCLEEP в дихлорметане. На все пластинки, кроме контрольной опыта, наносили методом электропрядения слой параллельно расположенных микроволокон диаметром 4–5 мкм. В одном случае в микроволокна при электропрядении внедряли человеческий глиальный нейротрофический фактор, стимулирующий регенерацию нервной ткани, и при этом был получен наивысший показатель восстановления нерва (44%). Для зарастания повреждения на участке 15 мм требовалось до трех месяцев. На протяжении этого времени нейротрофический фактор продолжал постоянно поступать из разлагающейся матрицы.

Эти и другие новые применения методов электропрядения пока проходят стадию испытаний и разработок. В ближайшее время многие из них, несомненно, войдут в практику.

Кандидат физико-математических наук
А.В. Товмаш,
кандидат химических наук
А.С. Садовский,
НИФХИ им. Л.Я. Карпова

Статья написана при поддержке РФФИ.