Аэрогели: области применения

Стремительный темп развития инновационных технологий в науке обусловливает расширение ассортимента медицинских изделий, находящихся в обращении на территории ЕАЭС. Ежегодно специалисты аккредитованных испытательных лабораторий (центров), проводящих исследования (испытания) медицинских изделий в целях государственной регистрации, сталкиваются с новыми материалами и изделиями на их основе. К числу таких материалов можно отнести аэрогели, полученные по технологии сверхкритического высушивания. Многочисленные уникальные свойства аэрогелей способствуют их применению в самых различных отраслях – от космической промышленности до медицины (рис. 1) [1].

Технологии получения нанопористых сверхлегких аэрогелей впервые были описаны Стивеном Кистлером в 1931 г. [2]. В последующие десятилетия интерес к аэрогелям продолжал расти, о чем свидетельствуют многочисленные публикации. Так, начиная с 2005 г., количество научных исследований на тему аэрогелей составляло порядка 300. В 2018 г. насчитывалось свыше 1100 публикаций, посвященных аэрогелям [1].

Разнообразие свойств аэрогелей в медицинской практике

Благодаря механической прочности, низкой плотности, большой площади поверхности и открытой структуре пор аэрогели могут рассматриваться в качестве материалов искусственных створок клапанов протезов сердца; аэрогели способны выполнять роль матриц-носителей лекарственных веществ, клеток, соединений металлов, обеспечивая контролируемую доставку и пролонгированное высвобождение входящих в их состав компонентов [3]. В таблице приведены некоторые примеры биомедицинского применения аэрогелей. Наиболее подробные и глубокие исследования были проведены в отношении аэрогелей на основе оксида кремния [9], альгинатов [6, 8, 10], хитозана [7, 11], пектина [8, 12], полученных технологией сверхкритиечского высушивания. Интерес для фармацевтической промышленности и медицины представляют аэрогели на основе альгинатов благодаря их доказанным репаративным, гемостатическим и противовоспалительным свойствам. Смешение водных растворов альгината натрия с растворами, содержащими ионы кальция (например, хлорид кальция), приводит к образованию нерастворимых гелей (рис. 2). Данное свойство альгинатов используется при создании аэрогелей [13]. При получении аэрогелей из альгинатов возможна замена традиционных сшивающих агентов на основе солей кальция на водорастворимые соли лантаноидов, к примеру, соли церия, которые обладают регенеративными свойствами, тканесохраняющими, противовоспалительными эффектами при местном лечении ожоговых ран [14]. Однако клиническое использование аэрогелей до настоящего времени остается весьма ограниченным.

Аэрогели: понятия и определения.

Разнообразие семейства аэрогелей в зависимости от технологий их получения

В научной литературе до сих пор не существует специального единого термина «аэрогель». Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) определил понятие «аэрогель» как «гель, состоящий из микропористого твердого вещества, в котором дисперсной фазой является газ» [15]. «Aerogels Handbook» Pierre принял первоначальную идею Кистлера, определив аэрогель как «гель, в котором жидкость заменена воздухом, с очень умеренной усадкой сплошного каркаса» [3]. Аналогичное, но более длинное определение можно найти в обзоре Хюсинга, который обозначил аэрогель как «материал, в котором типичная структура пор и каркаса в значительной степени сохраняется … в то время как жидкость в порах геля заменяется воздухом» [16]. Однако общая черта формулировок состоит в том, что во всех случаях аэрогель включает понятие «гель», поскольку в технологии получения аэрогелей присутствует стадия гелеобразования, а отличия заключаются в методах удаления дисперсионной среды – высушивания.

Аэрогели, полученные по технологии сверхкритического высушивания, могут быть получены в форме монолитов, порошков и пленок. При этом микроструктура пор аэрогелей различна: микропористые (с порами размером менее 2 нм), мезопористые (с порами размером от 2 до 50 нм), со смешанными порами. По составу аэрогели подразделяют на неорганические, органические и гибридные. Неорганические аэрогели получают из оксидов (диоксидов кремния алюминия, титана, циркония, углерода, графена). Величина площади удельной поверхности неорганических аэрогелей достигает 1000 м2/г [17–19]. Основу органических аэрогелей, как правило, составляют альгинаты, коллаген, хитозан, крахмал, целлюлоза и ее производные, поли-капролактон, силиконы, пектин, ксантан и др. [11, 20–23]. По нашему мнению, органические аэрогели следовало бы дополнительно подразделять на аэрогели на основе синтетических и природных полимеров.

Величина площади удельной поверхности органических аэрогелей на основе природных полимеров варьируется в диапазоне от 100 до 800 м2/г. Для альгинат-содержащих аэрогелей характерно значение площади удельной поверхности до 600 м2/г, для целлюлозы – 250 м2/г, при сшивающем агенте (ионы цинка) – до 800 м2/г, для крахмала – до 520 м2/г, хитозана – до 320 м2/г, пектина – до 400 м2/г [24].

В сравнении с аэрогелями на основе природных полимеров аэрогели из синтетических полимеров обладают небольшой площадью удельной поверхности. Так, для аэрогелей на основе поливинилового спирта (ММ 145 кДа, ПВС) величина площади удельной поверхности составляет 74 м2/г; для аэрогелей на основе сополимера L-лактида и -капролактона (ПКЛ) – 58 м2/г [25]. В зависимости от технологии высушивания различается и структура аэрогелей на основе синтетических полимеров ПВС и ПКЛ: поверхность образцов аэрогелей, полученных методом криогенного высушивания, макропористая, а образцов, полученных по технологии сверхкритического высушивания – микропористая. Технология высушивания ПВС и ПКЛ в сверхкритическом CO2 приводит к увеличению их прочности, однако при этом эластичность улучшается [25]. Наибольшей практической значимостью обладают композиционные аэрогели, состоящие из двух и более исходных компонентов (гибридные аэрогели), благодаря которым их исключительные свойства преумножаются. Так, аэрогели из органических и неорганических веществ обладают более развитой поверхностью за счет неорганического компонента и биодеградируемостью за счет органической составляющей [26].

Основные методы получения аэрогелей, достоинства и недостатки для медицинского применения

Итак, процесс получения аэрогелей включает в себя две основные стадии: первая – формирование геля в среде соответствующего растворителя; вторая – удаление растворителя из пор геля (сушка). Традиционным методом получения аэрогелей является лиофильное (криогенное) высушивание – обезвоживание геля в условиях вакуума за счет возгонки жидкости из твердого состояния сразу в пар. При данном способе высушивания возможно избежать влияния капиллярных сил на структуру геля. Однако данный метод имеет существенное ограничение – гели, подвергаемые высушиванию, должны иметь водную основу.

Другим методом является высушивание с помощью сверхкритических флюидов (СКФ) – состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазами. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки, является сверхкритической жидкостью. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии – промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазах. Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, и низкой вязкостью. При отсутствии межфазных границ поверхностное натяжение также исчезает. Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное значение между жидкостью и газом [27]. Особый интерес вызывает сверхкритический диоксид углерода (СО2) как среда, способная заменить многие экологически небезопасные растворители, в частности, применяемые при синтезе и модификации полимеров. Широкое использование сверхкритического СО2 (рис. 3) обусловлено его специфическими физико-химическими свойствами, такими как негорючесть, нетоксичность, относительная инертность в химических процессах [28–30]. Кроме того, переход диоксида углерода в сверхкритическое состояние происходит при достаточно низких давлении (7,38 МПа) и температуре (31,1 °С). После проведения процесса нет необходимости в его дополнительной очистке с целью повторного использования, а также в очистке целевого продукта от СО2, поскольку он возвращается в газообразное состояние при снижении давления и/или температуры.

В технологии сверхкритического высушивания также существуют ограничения, связанные со стадией замены исходного растворителя перед сверхкритическим высушиванием на органические растворители (например, изопропиловый спирт, метиленхлорид), в результате чего вероятны изменения физико-химических свойств гелей и, соответственно, свойств получаемых аэрогелей.

Несмотря на пристальное внимание исследователей к уникальным физическим и медико-биологическим свойствам аэрогелей, полученных по технологии сверхкритического высушивания, на территории ЕАЭС до сих пор не существует зарегистрированных аэрогелей для медицинского применения. Поэтому интерес представляют данные о всевозможных свойствах аэрогелей (морфология удельной поверхности, сорбционная активность и др.), которые могут стать основой для разработки требований, предъявляемым к аэрогелям для медицинского применения.

Conclusion.

Безусловно, аэрогели имеют неоспоримый потенциал с точки зрения биомедицинского применения. Однако при получении данных материалов по технологии сверхкритического высушивания следует уделять особое внимание подбору исходных компонентов, входящих в состав геля, их сочетанию с различными растворителями и режиму удаления этих растворителей из пор полученного геля. Аэрогели для биомедицинского применения, в первую очередь, должны отвечать требованиям эффективности и безопасности. Аэрогели должны быть изготовлены таким образом, чтобы при использовании в условиях и в целях, соответствующих их назначению, они действовали так, как это предназначил производитель, и были безопасны для пациентов и медицинского персонала.

1. Janja Stergar. Review of aerogel-based materials in biomedical applications / Janja Stergar, Uros Maver // Journal of Sol-Gel Science and Technology. – 2016. – Vol. 77, issue 3. – Р. 738–752. DOI: 10.1007/s10971-016-3968-5.
2. Fricke J. Aerogels: production, characterization, and applications / Fricke J., Tillotson T. // Thin Solid Films. – 1997. – Vol. 297, issues 1–2. – P. 212–223. DOI.org/10.1016/S0040-6090(96)09441-2
3. Aegerter M.A. Aerogels handbook. Advances in sol–gel derived materials and technologies / Leventis N., Koebel M.M. – New York: Springer, 2011. – 932 р.
4. Garcia-Gonzalez C.A. Polysaccharide-based aerogels-promising biodegradable carriers for drug delivery systems / GarciaGonzalez C.A, Alnaief M., Smirnova I. // Carbohydrate Polymers. – 2011. – Vol. 86, issue 4. – P. 1425–1438. DOI: 10.1016/ j.carbpol.2011.06.066.
5. Power M. Aerogels as biosensors: viral particle detection by bacteria immobilized on large pore aerogel / Power M., Hosticka B., Black E., Daitch C., Norris P. // Journal of non-crystalline solids. – 2001. – № 285. – Р. 303–308.
6. Marta Martins. Preparation of macroporous alginate-based aerogels for biomedical applications / Marta Martins, Alexandre A. Barros, Sakeena Quraishi, Pavel Gurikov, Raman S.P., Irina Smirnova, Ana Rita C. Duarte, Rui L. Reis // The Journal of Supercritical Fluids. – 2015. – Vol. 106. – P. 152–159.
7. Kumari Rinki. Chitosan based scaffolds by lyophilization and sc.CO2 assisted methods for tissue engineering applications / Kumari Rinki, P.K. Dutta // Journal of Macromolecular Science, Part A: Pure and Applied Chemistry. – 2010. – Vol. 47, issue 5. – P. 429–434.
8. Felicetta De Cicco. Prilling and supercritical drying: A successful duo to produce core-shell polysaccharide aerogel beads for wound healing / Felicetta De Cicco, Paola Russo, Ernesto Reverchon, Carlos A. Garci’a-Gonza’lez, Rita Patrizia Aquino, Pasquale Del Gaudio // Carbohydrate Polymers. – 2016. – Vol. 147. – P. 482–489.
9. Rakesh P. Patel. An Overview of Silica Aerogels / Rakesh P. Patel, Nirav S. Purohit, Ajay M. Suthar, S. K. Patel // /Int.J. ChemTech Res. – 2009. – Vol. 1, № 4. – P. 1052–1057.
10. Sakeena Quraishi. Novel non-cytotoxic alginate–lignin hybrid aerogels as scaffolds fortissue engineering / Sakeena Quraishi, Marta Martins, Alexandre A. Barros, Pavel Gurikov, S.P. Raman, Irina Smirnova, Ana Rita C. Duarte, Rui L. Rei // The Journal of Supercritical Fluids. – 2015. – Vol. 105. – P. 1–8.
11. Patent WO 95/01165, 12.01.1995. Arne Berg, Michael William Droege, Jere Douglas Fellmann, Jo Klaveness, Pa°l RONGVED. Medical use of organic aerogels and biodegradable organic aerogels // WO 95/01165, 1995.
12. Gabrijela Horvat. Novel ethanol-induced pectin–xanthan aerogel coatings fororthopedic applications / Gabrijela Horvat, Klodian Xhanari, Matja z Fin sgar, Lidija Gradi snik, Uro s Maver, Zeljko Knez, Zoran Novak // Carbohydrate Polymers. – 2017. – Vol. 166. – P. 365–376.
13. MT Cook. Production and evaluation of dry alginate-chitosan microcapsules as an enteric delivery vehicle for probiotic bacteria / MT Cook, G Tzortzis, D Charalampopoulos, VV Khutoryanskiy // Biomacromolecules. – 2011. – № 12 (7). – P. 2834–2840.
14. Legonkova O.A. The investigation of cerium compounds’ influence on maturation of scar tissue after burn injury in vivo experiment in vivo / Legonkova O.A., Korotaeva A.I., Uhin S.A., Chekmareva I.A., Fedorova T.V., Landesman E.O., Teplonogova M.A., Baranchikov A.E., Ivanov V.K. // Questions on biological, medical and pharmaceutical chemistry. – 2018. – #21(10). – P.18–23. DOI: org/10.29296/25877313-2018-10-03.
15. Ai Du, Bin Zhou. A special material or a new state of matter: a review and reconsideration of the aerogel / Ai Du, Bin Zhou, Zhihua Zhang and Jun Shen // Materials. 2013, 6. Р. 941–968.
16. Husing N. Aerogels – airy materials: Chemistry, structure, and properties / Husing N., Schubert U. Angew // Chem. Int. Ed. – 1998. – Vol. 37. – P. 23–45. DOI: 10.1002/(SICI)15213773(19980202)37:1/2<22: AID-ANIE22>3.0.CO;2-I
17. Sterga J. Review of aerogel-based materials in biomedical applications / Sterga J., Maver U. // Journal of Sol-Gel Science and Technology. – 2016. – Vol. 77. – P. 738–752. DOI: 10.1007/ s10971-016-3968-5.
18. Sabri F. Histological evaluation of the biocompatibility of polyurea crosslinked silica aerogel implants in a rat model: a pilot study / Sabri F., Boughter J. D. Jr., Gerth D., Skalli O., Thien-Chuong N. Phung T-C.N, Tamula G-R.M., Leventis N. // PLOS ONE. – 2012. – Vol. 7, № 12. – P. 1–7.
19. Patel R. P. An overview of silica aerogels / Patel R. P., N. S. Purohit, A. M. Suthar // International Journal of ChemTech Research. – 2009. – Vol. 1, № 4. – Р. 1052–1057.
20. Dharunya Govindarajan. Fabrication of hybrid collagen aerogels reinforced with wheat grass bio-actives as instructive scaffolds for collagen turnover and angiogenesis for wound healing applications / Dharunya Govindarajan, Natarajan Duraipandy, Kunnavakkam Vinjimur Srivatsan, Rachita Lakra, Purna Sai Korrapati, Ramasamy Jayavel, Manikantan Syamala Kiran // ACS Applied Materials & Interfaces 9(20) (May 3, 2017). DOI: 10.1021/acsami.7b05842
21. Veronovski A. Synthesis and use of organic biodegradable aerogels as drug carriers / Veronovski A., Novak Z., Knez Z. // Journal of Biomaterials Science. – 2012. – Vol. 23. – P. 873–886.
22. Kumari Rinki. Physicochemical and biological activity study of genipin-crosslinked chitosan scaffolds prepared by using supercritical carbon dioxide for tissue engineering applications / Kumari Rinki, P.K. Dutta // International Journal of Biological Macromolecules. – 2010. – Vol. 46. – P. 261–266.
23. Goimil L. Supercritical processing of starch aerogels and aerogelloaded poly(e-caprolactone) scaffolds for sustained release of ketoprofen for bone regeneration / Goimil L., Braga M.E.M., Dias A.M.A., Go’mez-Amoza J.L., Concheiro A., Alvarez-Lorenzo C., de Sousa H.C., Garci’a-Gonza’lez C.A. // Journal of CO2 Utilization. – 2017. – Vol. 18. – P. 237–249.
24. Legonkova O.A. Estimation of possibilities of aerogels usage via supercritiacal technology of drying as dressing materials / Legonkova O.A., Vinokurova T.I., Asanova L.U. // Questions on biological, medical and pharmaceutical chemistry. – 2017. – Т. 20, Vol. 12. – P. 42–46.
25. Legonkova O.A., Vinokurova T.I., Asanova L.U., Nikolaev A.U. Comparative estimation of properties of aerogels and xerogels based on polyvinyl alcohol and L-lactide and -caprolactone co-polymers. Questions on biological, medical and pharmaceutical chemistry. – 2018. – 21(12). – P. 27–31. https://doi.org/10.29296/ 25877313-2018-12-04.
26. Zuo L. Polymer/Carbon-Based hybrid aerogels: preparation, properties and applications / Zuo L., Zhang Y., Zhang L., Miao Yue-E, Fan W., Liu T. // Materials. – 2015. – Vol. 8. – P. 6806–6848.
27. Galkin A.A. Water in sub- and super- critical states – the universal medium for chemical reactions / A.A. Galkin, V.V. Lunin / Successes in chemistry. – 2005. – Vol. 74 (1). – P. 21–35.
28. Andrew I. Cooper. Polymer synthesis and processing using supercritical carbon dioxide / Andrew I. Cooper // Journal of Materials Chemistry. – 2000. – Vol. 10. – P. 207 – 234.
29. Kazarian S.G. Polymer Science, C, 2000, v. 42, № 1, p. 78.
30. Beckman E.J. J. Supercrit. Fluids, 2004, v. 28, p. 121–191.