Д.т.н., профессор Абдуллин И.Ш., к.т.н., доцент Ибрагимов Р.Г.,

аспирант Зайцева О.В., аспирант Парошин В.В.

Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия

Плазменная модификация полимерных мембран для медицинского назначения

Мембранные технологии играют исключительную роль в развитии медицины. Основной тенденцией в развитии современных медицинских исследований является модернизация существующих методов использования мембран. Реализации этой тенденции способствует разработка нового диапазона функциональных свойств мембран, которая ведется в двух направлениях: разработка новых полимерных материалов и изменение свойств с помощью модификация уже существующих мембран. Последнее направление является более перспективным, так как не требует дополнительных капиталовложений на освоение производства новых полимеров и мембран. В значительной степени развитие этого направления обеспечивается возрастающим спросом на новые мембранные материалы, предназначенные для биотехнологии и медико-биологического использования.

При хирургических операциях на сердце и легком кровообращение и газообмен осуществляется в аппаратах “искусственное легкое” – оксигенаторах, основу которых составляют наиболее физиологичные мембранные устройства. С созданием оксигенаторов мембранного типа расширились и области их применения. Кроме обеспечения хирургии сердца оксигенаторы могут быть использованы в так называемой вспомогательной оксигенации для восстановления функции легких, например, при пневмонии, силикозе, а также при реанимации [1].

Максимально повысить процессы газообмена при оксигенации крови (помимо оптимизации конструкции оксигенатора) возможно за счет повышения разделения мембраны, которая зависит от природы полимера и ее толщины. Высокая эффективность мембраны не столько позволяет варьировать проницаемость кислорода (гемоглобин крови усваивает строго определенный его объем), сколько важна для быстрого выделения (элиминации) углекислого газа из крови. Движущей силой элиминации СО₂ является небольшое парциальное давление в крови, которое не поддается произвольному регулированию извне. Следовательно, скорость выделения двуокиси углерода всецело зависит от эффективности и селективности самой мембраны.

Кожный покров человека, состоящий из коллагеновых белков, является идеальной природной мембраной, выполняющей многочисленные обменные и защитные функции. Как известно, число травмированных людей в результате техногенных, стихийных, бытовых и других случаев очень велико и большую часть из них занимают люди с поражением участков кожи. Замена поврежденных участков кожи человека путем трансплантации здоровой в случае другого реципиента лимитирована процессами ее отторжения, а реплантация кожи у одного и того же человека ограничена площадью раневой поверхности.

Для предотвращения процессов обезвоживания и интоксикации организма (пары воды проходят через неповрежденную кожу со скоростью 8,5–12,5 г/м²ч, а в области без нее в 10 раз больше) в результате травмированных областей эпидермы большое значение приобретает метод лечения с использованием специальных полимерных покрытий, осуществляющих функцию “искусственной кожи” [2].

При разработке искусственной почки главное значение придается созданию новой мембраны, которая бы селективно выделяла из крови отработанные вещества. К гемодиализным мембранам предъявляются следующие требования. Во-первых, мембраны для гемодиализа должны обеспечивать высокий клиренс (т.е. высокую степень очистки) и высокую проницаемость; это позволит снизить продолжительность сеанса гемодиализа и повысить качество очистки. Во-вторых, важным параметром гемодиализных мембран, ввиду специфики их использования, является биосовместимость. Кроме того, важными требованиями к гемодиализным мембранам является их стоимость, поскольку необходимая частая их смена и способность к стерилизации [3].

Функциональные свойства полимерных мембран нового поколения определяются их химической природой, надмолекулярной структурой и свойствами поверхности, находящейся в контакте с биологической средой или живым организмом. Таким образом, эти свойства тесно связаны с характеристиками полимерной поверхности и определяют методы целенаправленного изменения этих свойств.

Большинство методов модификации мембран имеет ряд недостатков [4]. По сравнению с другими методами модификации композиционных мембран, плазменная технология имеет следующие преимущества: экологичность, обеспечение воспроизводимых результатов, щадящее воздействие на композиционные мембраны [5,6].

При обработке неравновесной низкотемпературной плазмой (ННТП) полимерных мембран (Рис. 1), в качестве плазмообразующего газа применялся чистый воздух, чистый аргон, аргон с добавками воздуха, азота, пропана и бутана. Время обработки мембран плазмой изменялось в диапазоне от 1 до 15 мин. Расход плазмообразующего газа через разрядную камеру был равен G=0.04 г/с, давление Р=26,6 Па, напряжение изменялось от 1,5 до 7,5 кВ.

Рис 1 – Обработка капиллярных мембран ННТП.

Изменения структурных и физико-химических свойств полимерных мембран в результате обработки ННТП оценивали с помощью конфокального лазерного сканирующего 3D микроскопа LEXT4000 (Рис. 2), ИК-Фурье спектрометрии IRAffinity-1, порометриии капилярного потока POROLUX™ 1000 и прибора по контролю целостности мембран Sartocheck 4 Plus.

а)	б)

Рис. 2 – Воздействие ННТП на фторопластовую мембрану:

а) мембрана без плазменной обработки; б) модифицированная мембрана в ННТП (в режиме I=0,5 А, U=5,5 кВ, t=15 мин, газ: аргон-воздух (70:30)).

Полимерные мембраны обладают неоднородной и шероховатой поверхностью (Рис. 2а), что влияет на их селективные и эксплуатационные свойства. После модификации ННТП, участки мембраны имели слабовыраженный рельеф (Рис. 2б). Воздействие разряда уменьшило поверхностную шероховатость, поверхность мембраны стала более гладкой и упорядочилась структура. Модификация ННТП позволила удалить с поверхности и пористой структуры полимерных мембран нежелательные включения, примеси, остатки мономеров.

Физико-химические свойства мембранного элемента позволяют регулировать медико-биологические функции аппаратов и покрытий. В результате модификации ННТП мембраны приобретают оптимальную пористую структуру, повышают селективные свойства, а также становятся более гидрофильными, что позволит вывести мембранные технологии в медицине на более высокий качественный уровень.

Литература:

1. Galletti P. Appliance of plastics in membrane oxigenators / Р. Galletti // J. Biomed. Mater. Res. 1971. V. 5, No 1, P. 129–134.

2. Пат. РФ № 2104039, 1998. Заменитель живой кожи, способ его получения и способ обработки повреждений живой кожи.

3. Абдуллин И.Ш. Плазменная модификация композиционных полимерных мембран для медицины/ И.Ш. Абдуллин [и др.] //Вестник Казанского технологического университета. – 2013. – № 9. – С. 11 – 17.

4. Абдуллин И.Ш. Применение мембранной технологии для очистки сточных вод кожевенно-обувных предприятий/ И.Ш. Абдуллин [и др.]// Вестник Казанского технологического университета. –2012. – №6. –С. 21-27.

5. Абдуллин И.Ш. Модификация композиционных мембран/ И.Ш. Абдуллин [и др.] // Вестник Казанского технологического университета.- 2012.- №15.-С.76-84.

6. Абдуллин И.Ш. Композиционные мембраны/ И.Ш. Абдуллин [и др.] // Вестник Казанского технологического университета.- 2012.- №15. -С.63-66.