Полигликолид

Полигликолид (полигликолевая кислота, ПГК) — это синтетический биоразлагаемый и биосовместимый полимер, относящийся к классу алифатических сложных полиэфиров. Представляет собой твёрдое кристаллическое вещество белого или светло-жёлтого цвета. Полигликолид является одним из первых синтетических полимеров, получивших широкое клиническое применение в качестве рассасывающегося шовного материала, а также используется в тканевой инженерии, фармацевтике и производстве упаковки.

Химическое строение и свойства

Полигликолид представляет собой полимер гликолевой кислоты (гидроксиуксусной кислоты), мономерные звенья которого соединены сложноэфирными связями. Общая формула повторяющегося звена: (C₂H₂O₂)ₙ.

Физико-химические характеристики

• Молекулярная масса: обычно варьируется от 20 000 до 150 000 г/моль в зависимости от способа синтеза.
• Температура стеклования (Tg): 35–40 °C.
• Температура плавления (Tm): 220–230 °C.
• Кристалличность: высокая (45–55 %), что обеспечивает прочность и жёсткость материала.
• Растворимость: нерастворим в воде и большинстве органических растворителей (за исключением гексафторизопропанола и некоторых фторированных спиртов).
• Механические свойства: высокая прочность на разрыв (до 800 МПа для волокон) и модуль упругости (около 7 ГПа).

Биодеградация

Полигликолид подвергается гидролитической деградации в водной среде (в том числе в физиологических жидкостях организма). Процесс распада происходит в два этапа:

1. Гидролиз: вода проникает в аморфные области полимера, разрывая сложноэфирные связи. Продуктами являются олигомеры и гликолевая кислота.
2. Метаболизм: гликолевая кислота превращается в глицин или выводится с мочой; в условиях организма она может участвовать в цикле Кребса.

Полное рассасывание полигликолидных нитей в тканях происходит за 60–90 дней. Скорость деградации зависит от pH среды, температуры, кристалличности и молекулярной массы.

История

Впервые полигликолид был синтезирован в 1954 году группой исследователей под руководством химика Н. А. Платэ в СССР. Однако промышленное применение началось после работ американских учёных в 1960-х годах. В 1962 году компания American Cyanamid разработала первый рассасывающийся шовный материал на основе полигликолида — «Dexon» (зарегистрирован в 1969 году). Это стало прорывом в хирургии, так как до этого использовались нерассасывающиеся шёлковые или кетгутовые нити, которые часто вызывали воспаление.

В 1970-х годах началось производство сополимеров полигликолида с молочной кислотой (полилактид-ко-гликолид, PLGA), что позволило регулировать скорость деградации материала. В 1980-х годах полигликолид начали применять в системах доставки лекарств и ортопедических имплантатах.

Синтез

Полигликолид получают двумя основными методами:

Поликонденсация

Непосредственная поликонденсация гликолевой кислоты в вакууме при высокой температуре (180–230 °C) с удалением воды. Этот метод даёт полимер с низкой молекулярной массой (до 10 000 г/моль), что ограничивает его применение.

Полимеризация с раскрытием цикла (ROP)

Наиболее распространённый промышленный способ. Циклический димер гликолевой кислоты — гликолид — полимеризуется в присутствии катализаторов (обычно октоат олова(II) или триэтилалюминий) при температуре 180–220 °C. Реакция протекает по механизму раскрытия цикла и позволяет получать высокомолекулярный полимер (до 150 000 г/моль) с контролируемой структурой.

Применение

Медицина

Полигликолид и его сополимеры (PLGA) широко применяются в биомедицине благодаря биосовместимости и способности к полному рассасыванию.

• Хирургические шовные нити: монофиламентные и плетёные нити (например, «Dexon», «Vicryl» — сополимер лактида и гликолида). Используются для сшивания мягких тканей, не требующих длительной поддержки.
• Ортопедические имплантаты: винты, штифты и пластины для фиксации переломов (например, «BioScrew»). Рассасываются по мере срастания кости, исключая необходимость повторной операции.
• Системы доставки лекарств: микросферы и наночастицы из PLGA для контролируемого высвобождения противоопухолевых, антибактериальных и гормональных препаратов.
• Тканевая инженерия: скаффолды (каркасы) для регенерации костной, хрящевой и нервной ткани.

Промышленность

• Упаковка: полигликолид используется в производстве биоразлагаемой упаковки для продуктов с коротким сроком хранения (например, одноразовая посуда, плёнки). Однако высокая стоимость ограничивает его применение по сравнению с полилактидом.
• Нефтегазовая отрасль: полигликолидные волокна применяются для создания временных изолирующих материалов при гидроразрыве пласта.

Фармацевтика

В качестве вспомогательного вещества в таблетированных формах для замедления высвобождения активного ингредиента.

Классификация и виды

Полигликолид классифицируют по нескольким признакам:

• По молекулярной массе: низкомолекулярный (до 20 000 г/моль) — для систем доставки; высокомолекулярный (свыше 50 000 г/моль) — для шовных материалов и имплантатов.
• По структуре: гомополимер (чистый ПГК) и сополимеры (например, PLGA с различным соотношением лактида и гликолида).
• По форме выпуска: волокна, гранулы, плёнки, микросферы, пористые блоки.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Полная биодеградация до нетоксичных продуктов.
• Высокая прочность и жёсткость.
• Хорошая биосовместимость (низкая токсичность и воспалительная реакция).
• Возможность регулирования времени деградации путём сополимеризации.

Недостатки

• Высокая стоимость производства (особенно при полимеризации с раскрытием цикла).
• Чувствительность к влаге (требует хранения в сухих условиях).
• Кислые продукты деградации (гликолевая кислота) могут вызывать локальное снижение pH, что в некоторых случаях ускоряет деградацию окружающих тканей.
• Ограниченная термостойкость (размягчение при температуре выше 40 °C).

Интересные факты

• Полигликолид был первым синтетическим полимером, одобренным Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для использования в качестве рассасывающегося шовного материала.
• В 2010-х годах разработаны композиты полигликолида с гидроксиапатитом для ускорения остеоинтеграции в костных имплантатах.
• Полигликолидные нити используются в эндоскопической хирургии для создания временных анастомозов (соединений) органов.

Источники

• Платэ Н. А., Васильев А. Е. Физиологически активные полимеры. — М.: Химия, 1986.
• Gilding D. K., Reed A. M. Biodegradable polymers for use in surgery — polyglycolic/poly(lactic acid) homo- and copolymers // Polymer. — 1979. — Vol. 20, № 12. — P. 1459–1464.
• Middleton J. C., Tipton A. J. Synthetic biodegradable polymers as orthopedic devices // Biomaterials. — 2000. — Vol. 21, № 23. — P. 2335–2346.
• Ratner B. D. et al. Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine. — 3rd ed. — Academic Press, 2013.
• Штильман М. И. Полимеры медико-биологического назначения. — М.: Научный мир, 2011.