СОЗДАНИЕ БИОСОВМЕСТИМЫХ КОМПОЗИТОВ ИЗ ПОЛИКАПРОЛАКТОНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНОЧАСТИЦАМИ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ

Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 47 http://nauko-sfera.ru/ УДК 54 DOI 10.5281/zenodo.17464597 Научная статья СОЗДАНИЕ БИОСОВМЕСТИМЫХ КОМПОЗИТОВ ИЗ ПОЛИКАПРОЛАКТОНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНОЧАСТИЦАМИ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ CREATION OF BIOCOMPATIBLE COMPOSITES BASED ON POLYCAPROLACTONE MODIFIED WITH METAL OXIDE NANOPARTICLES ФОМИНА ПОЛИНА АЛЕКСЕЕВНА, инженер, Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук. ОЛОВЯННИКОВ ГРИГОРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, инженер, Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук. FOMINA POLINA ALEKSEEVNA, engineer, Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences. OLOVIANNIKOV GRIGORII ALEKSANDROVICH, engineer, Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences. В работе описан метод получения композитов на основе поликапролактона с введёнными неорганическими наночастицами оксидов металлов в малых концентрациях – 0,012 г/л (0,001 мас. %). Размерно-концентрационные характеристики оценивались методом динамического рассеяния света. Оптические свойства исследованы методом УФ-видимой спектроскопии. Проведено сравнение влияния четырех видов наночастиц (ZnO, CuO, Ag ₂ O и TiO ₂ ), полученных методом лазерной абляции, на биосовместимость композитных материалов. Оценку биологической совместимости провели на культуре фибробластов человека (HSF) методом люминесцентной микроскопии для количественного определения жизнеспособных клеточных единиц. Результаты показали, что все виды наночастиц не повлияли на цитотоксичность композитной пленки (процент живых клеток не опустился ниже 98,4 % от общего числа клеток). This paper describes a method for producing polycaprolactone–based composites with introduced inorganic metal oxide nanoparticles in low concentrations of 0.012 g/l (0.001 wt %). The size and concentration characteristics were evaluated by dynamic light scattering. The optical properties were studied by UVvisible spectroscopy. The effect of four types of nanoparticles (ZnO, CuO, Ag ₂ O, and TiO ₂ ) obtained by laser ablation on the biocompatibility of of composite materials is compared. Biological compatibility was assessed on human skin fibroblast culture (HSF) using luminescent microscopy to quantify viable cell units. The results showed that all types of nanoparticles did not affect the cytotoxicity of the composite film (the percentage of living cells did not fall below 98,4 % of the total number of cells). Ключевые слова: поликапролактон, наночастицы оксидов металлов, лазерная абляция, композитные материалы, биосовместимость, цитотоксичность. Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 48 http://nauko-sfera.ru/ Key words: polycaprolactone, metal oxide nanoparticles, laser ablation, composite materials, biocompatibility, cytotoxicity. ведение. С начала XXI века специалисты в сфере материаловедения и биомедицины активно разрабатывают композитные материалы с улучшенными физико-химическими и биологическими характеристиками. Статистика авторитетной базы данных PubMed по запросу «biocompatible composite materials» демонстрирует значительный рост числа соответствующих исследований за последние два десятилетия (рис. 1). Рис. 1. Количество статей по поисковому запросу «biocompatible composite materials» с 1980 по 2024 гг. Перспективным материалом является поликапролактон (ПКЛ), чьи уникальные свойства уже находят применение в медицине: системах доставки лекарств [5; 19], создании рассасывающихся имплантатов [23], шовных материалов [8] и каркасов для тканевой инженерии [6]. Тем не менее, несмотря на относительно высокую биосовместимость, механические и термические свойства ПКЛ требует дополнительной модификации для сложных биомедицинских или технических приложениях. Анализ литературы показал, что существует множество способов улучшить свойства ПКЛ, включая в его матрицу разные наполнители. Большую популярность приобретает модификация поликапролактона с помощью наночастиц (НЧ), в частности, металлов и их оксидов. Ключевыми преимуществами данного подхода являются простота и низкая стоимость процесса, а также присущие наночастицам антимикробные свойства, что дополнительно повышает привлекательность композитов ПКЛ/НЧ для медицины и тканевой инженерии, как показано в исследовании [18]. Существует множество методов синтеза металлических и наночастиц оксидов металлов, среди которых в последние годы широкое распространение получили химические подходы, в частности, «зеленый» биосинтез [19]. К другим пользующимся спросом способам получения таких НЧ относятся микроволновой синтез, золь-гель метод, плазменная технология и сольвотермический синтез. Особого внимания заслуживает физиВ Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 49 http://nauko-sfera.ru/ ческий метод — лазерная абляция [24]. Подобно биосинтезу, этот подход экологически безопасен, поскольку не требует применения токсичных прекурсоров. Кроме того, в отличие от многих альтернативных методик, лазерная абляция позволяет контролировать параметры синтезируемых наночастиц путем изменения настроек лазера. Несмотря на эти преимущества, в данный момент практически отсутствуют исследования по модификации поликапролактона наночастицами, полученными методом лазерной абляции. Актуальность работы связана с необходимостью создания новых биосовместимых и механически прочных композитов для широкого применения в медицине и тканевой инженерии. Эти материалы должны быть безопасны для человека и обладать антимикробными свойствами для предотвращения инфекций. Установленные свойства наночастиц оксидов металлов [11–13; 22] демонстрируют их высокую перспективность для решения данной задачи. В текущей работе проводится сравнительный анализ результатов экспериментов по биосовместимости четырех видов композитов из поликапролактона с различными наночастицами (ZnO, CuO, Ag₂O, TiO₂), полученными лазерной абляцией. Свойства поликапролактона. Поликапролактон (ПКЛ) — биосовместимый и биодеградируемый полиэфир, синтезируемый полимеризацией ε-капролактона (рис. 2). Его химическая формула: (C₆H₁₀O₂). Рис. 2. Схема получения поликапролактона из ε-капролактона Повторяющееся звено ПКЛ включает пять метиленовых групп и одну эфирную, что обуславливает гидрофобность материала, снижающую клеточную адгезию и требующую его модификации. Температура плавления ПКЛ составляет ~58–64°C, температура стеклования — около – 60°C, что обеспечивает гибкость при комнатной температуре. Низкий модуль упругости (250–440 МПа) и высокая эластичность (20–1000 %) позволяют создавать мягкие конструкции: имплантаты, шовные материалы и каркасы для тканевой инженерии [22]. Однако пористые и волокнистые структуры из ПКЛ демонстрируют снижение механической прочности. Например, модуль Юнга уменьшается на 40 % за два месяца гидролитической деградации и на 60 % — за четыре [21]. Биодеградация ПКЛ в организме происходит под действием липазы за 1–4 года [16] с образованием ε-гидроксикапроновой кислоты, которая метаболизируется в цикле Кребса [20]. Применение поликапролактона в биомедицине. Биомедицинское применение поликапролактона иллюстрируют следующие примеры: Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 50 http://nauko-sfera.ru/ 1. Доставка лекарств: микросферы из ПКЛ обеспечивали стабильную концентрацию паклитаксела в крови в течение 28 дней [5]. Другая система на основе ПКЛ демонстрировала контролируемое высвобождение доксорубицина с улучшенной эффективностью и меньшей токсичностью [14]. 2. Имплантаты: эластичный имплантат из ПКЛ с гидроксиапатитом полностью деградировал за 6 месяцев, ускорив восстановление костного дефекта у крыс [1]. 3. Шовные материалы: композитные волокна ПКЛ с кератином и оксидом магния показали повышенную прочность, гидрофильность и антимикробную активность [3]. 4. Тканевая инженерия: трехмерный матрикс из ПКЛ обеспечивал длительное высвобождение ресвератрола, усиливая минерализацию костной ткани [17]. Каркас из ПКЛ и альгината улучшал прикрепление и пролиферацию кератиноцитов [10]. Наночастицы в качестве модификаторов поликапролактона. В работе изучены четыре широко применяемых типа наночастиц оксидов металлов:  ZnO: сферические, стержневидные или гексагональные НЧ с высокой активностью поверхности. Обладают выраженной антибактериальной, противовирусной, противоопухолевой активностью и биосовместимостью. Применяются в стоматологии, дерматологии и тканевой инженерии [9].  CuO: сферические или стержневидные НЧ. Биосовместимость зависит от концентрации. Проявляют антибактериальные и противоопухолевые свойства. Используются в системах доставки лекарств и антимикробных покрытиях [7].  Ag ₂ O: сферические НЧ, биосовместимые при низких концентрациях. Обладают антибактериальной и противогрибковой активностью. Применяются в антимикробных покрытиях и тканевой инженерии [13].  TiO ₂ : НЧ модификаций анатаз, рутил и брукит. Высоко биосовместимы, низкотоксичны. Проявляют антимикробные свойства. Используются в тканевой инженерии и фотодинамической терапии [15; 22].  Выбор обусловлен не только изученностью, но и способностью частиц эффективно интегрироваться в матрицу ПКЛ [18], широким спектром антимикробной активности без индукции резистентности, а также возможностью синтеза на одном оборудовании без изменения методик. Модификация ПКЛ этими НЧ расширяет его применение в биомедицине. Экспериментальная часть. 1. Получение водных растворов наночастиц. Наночастицы ZnO, CuO, Ag₂O и TiO₂ получали методом лазерной абляции в деионизированной воде (MQ). Синтез проводили на установке с импульсным волоконным иттербиевым лазером P-Mark TT 100 (Pokkels, Москва, Россия), оснащенной сканаторной системой. Параметры лазерного воздействия были следующими: длина волны λ = 1064 нм, длительность импульса τ = 200 нс, частота следования импульсов ν = 30 кГц, средняя мощность до 60 Вт, энергия импульса Е = 1,49 мДж. Металлическую мишень покрывали слоем MQ толщиной 2–3 мм. Процесс абляции продолжался 45 минут для объема жидкости 100 мл. 2. Перенос наночастиц из воды в дихлорметан (ДХМ). Перенос наночастиц из водной среды в дихлорметан (ДХМ) осуществляли в два этапа через ацетон в связи с несмешиваемостью воды и ДХМ. На первом этапе водную дисперсию НЧ объемом 80 мл предварительно обрабатывали ультразвуком (40 кГц, 22°C) и встряхивали на вихревом смесителе. Затем проводили центрифугирование (7012 об/мин, 40 минут, 22°C) с последующей заменой надосадочной жидкости на ацетон. Процедуру повторяли трижды. На втором этапе дисперсию в ацетоне выпаривали на нагретой плитке до 5 мл при 56°C, остаток ресуспендировали в 40 мл ДХМ и выпаривали до 5 мл при 40°C. Полученную концентрацию в ДХМ доводили до 40 мл, что в два раза превышало исходную концентрацию водной дисперсии. Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 51 http://nauko-sfera.ru/ 3. Характеризация наночастиц. Полученные водные дисперсии наночастиц исследовали методами УФ-видимой спектроскопии и динамического рассеяния света (ДРС), в то время как дисперсии в ДХМ анализировали только с помощью ДРС. Размерные распределения, концентрации и значения дзета-потенциала водных дисперсий определяли на анализаторе Zetasizer ULTRA Red Label (Malvern Panalytical Ltd., Великобритания). Для наночастиц в ДХМ измерения ζ-потенциала не выполнялись из-за риска повреждения чувствительных элементов датчика. Спектры поглощения в УФ-видимой области для водных коллоидов регистрировали на спектрометре Persee T6U (PG Instrument, Китай). 4. Получение раствора поликапролактона. Анализ литературных данных показал, что концентрация растворов поликапролактона (ПКЛ) обычно составляет 10–15 %. Для работы было выбрано среднее значение 12,5 %, обеспечивающее получение достаточно вязкого, но при этом текучего раствора. Для приготовления 30 мл 12,5 % раствора на аналитических весах отмеривали 3,75 г гранулированного ПКЛ (диаметр ~2 мм), которые помещали в стеклянный цилиндр и доводили до объема дихлорметаном. После тщательного перемешивания на вихревом смесителе до однородности раствор переливали в герметичный стеклянный флакон. 5. Получение растворов поликапролактона с наночастицами в дихлорметане. Для минимизации цитотоксичности, связанной с высокой поверхностной активностью наночастиц, их итоговая концентрация в растворе составила 0,001 масс. %. Для приготовления композитов отбирали соответствующие объемы дисперсий НЧ в ДХМ (ZnO — 0,41 мл; CuO — 0,6 мл; Ag₂O — 0,6 мл; TiO₂ — 0,4 мл), доводили ДХМ до 5 мл и вносили 0,625 г ПКЛ. После гомогенизации на вихревом смесителе добавляли еще 0,625 г полимера и доводили объем до 10 мл ДХМ с последующим перемешиванием. В результате получали четыре раствора по 10 мл 12,5 % ПКЛ, модифицированных разными НЧ с концентрацией 0,001 %. 6. Приготовление пленочных образцов. Для оценки биосовместимости жидкие растворы преобразовывали в твердые образцы. Растворы ПКЛ и композитов ПКЛ/НЧ в ДХМ разливали в силиконовые формы диаметром 8 и 15 мм, где их высушивали в вытяжном шкафу в течение 2–3 часов. После полного испарения растворителя формировались белые пленки толщиной 1 мм, готовые для последующих исследований. 7. Проверка биосовместимости ПКЛ и композитов ПКЛ с НЧ. Биосовместимость материалов оценивали на культуре кожных фибробластов человека (HSF) методом люминесцентной микроскопии. Образцы предварительно стерилизовали 70 % изопропанолом и PBS. Клетки высевали на стерильные покровные стекла (диаметр 25 мм) в 6-луночные планшеты по 10⁵ клеток/лунку в 100 мкл среды культивирования. После 30-минутной адгезии в CO₂инкубаторе добавляли 2 мл среды и размещали образцы полимеров (Ø15 мм) (рис. 3). Инкубацию проводили 72 часа. Жизнеспособность анализировали двойным окрашиванием Hoechst 33342 (5 мкг/мл, 30 мин, 37°C) и йодидом пропидия (2 мкМ, 1 мин) [2]. Препараты исследовали на микроскопе Leica DMI4000 B с камерой SDU-285. Площадь клеточного роста выражали в % от поля зрения. Анализ изображений выполняли в ImageJ2 (Fiji). При расчетах учитывалось соотношение клеток, окрашенных только Hoechst 33342 (живые), и клеток с двойной флуоресценцией (мертвые) по следующей формуле: Жизнеспособность=(1− Клетки в 𝑃𝐼 Клетки в Hoechst 33342)∙100% Для каждого варианта использовали ≥ 5 биологических повторений с анализом ≥ 200 клеток на образец. Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 52 http://nauko-sfera.ru/ Рис. 3. Культуральный 6-луночный планшет с клетками HSF и исследуемыми образцами ПКЛ и ПКЛ+НЧ Результаты. 1. Характеризация наночастиц. Анализ данных таблицы 1 показывает, что наибольшей стабильностью среди водных дисперсий обладает оксид меди, о чем свидетельствует модуль ζ-потенциала выше 30 мВ. Это может быть связано с полным окислением Cu₂O до CuO, что подтверждается изменением цвета суспензии. Метод ДРС выявил, что структурными элементами в дисперсиях являются агломераты. В исходных водных коллоидах наименьшие агломераты (20–28 нм) характерны для оксида серебра. При переходе в дихлорметан регистрируются частицы размером в единицы нанометров, что свидетельствует о возможном влиянии растворителя на измерения и его стабилизирующей роли против агломерации. Концентрационный анализ показывает максимальное содержание частиц у оксида меди (10¹⁹ шт/мл), что коррелирует с его высокой стабильностью и наименьшим размером в ДХМ. Минимальная концентрация оксида серебра (10¹² шт/мл) может объясняться его адгезией к поверхности чашки Петри при выпаривании. При этом Ag₂O демонстрируют наибольший средний размер (10 нм). Все полученные дисперсии показали достаточную стабильность с присутствием как наноразмерных частиц (1–10 нм), так и крупных агломератов (до 2,5 мкм). Выдвинуто предположение о значительном влиянии природы растворителя на результаты измерений. Таблица 1. Результаты измерения дзета-потенциала и характеризации исходных и вторичных дисперсий НЧ методом ДРС НЧ ζ, мВ Диапазон размеров, нм Положение максимума, нм Содержание НЧ [шт/мл] (размер НЧ) ZnO 27,23 86-141; 283-431; 611702; 2149-2650 131; 349; 655; 2471 109 (131); 108 (349); 106 (655); 104 (2471) ZnO ДХМ – 1-3; 2211-5468 1,5; 4702 1017 (3) CuO 45,68 93-162; 326-431; 531611 131; 374; 569 108 (131); 106 (374); 104 (569) Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 53 http://nauko-sfera.ru/ CuO ДХМ – 1-1,5 1 1019 (1) Ag2O 20,41 20-28; 80-186; 283402; 2149-2842 23; 131; 326; 2471 1011 (23); 108 (131); 107 (326); 104 (2471) Ag2O ДХМ – 3-11 10 1012 (10) TiO2 24,95 53-131; 214-402 80; 283 109 (80); 107 (283) TiO2 ДХМ – 3-4,5; 80-198 4 1016 (4) Спектры УФ-видимой области регистрировали только для водных дисперсий, поскольку ДХМ искажает результаты измерений. На спектрах НЧ ZnO, CuO, Ag₂O и TiO₂ (рис. 4–7) наблюдаются характерные полосы поглощения в ультрафиолетовой и фиолетовой областях, соответствующие полупроводниковой природе данных оксидов. Полученные спектры соответствуют ожидаемым и подтверждают успешный синтез наночастиц. Рис. 4. Спектр поглощения наночастиц ZnO в воде в УФ-видимой области спектра Рис. 5. Спектр поглощения наночастиц CuO в воде в УФ-видимой области спектра Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 54 http://nauko-sfera.ru/ Рис. 6. Спектр поглощения наночастиц Ag2O в воде в УФ-видимой области спектра Рис. 7. Спектр поглощения наночастиц TiO2 в воде в УФ-видимой области спектра 2. Проверка биосовместимости ПКЛ и композитов ПКЛ с НЧ. Анализ фотографий в программе ImageJ2 (таблица 2) показал высокую жизнеспособность клеток во всех исследуемых образцах. Контрольный образец продемонстрировал выживаемость 99,9 %, чистый ПКЛ — 99 %. Наибольшую цитотоксичность проявили наночастицы CuO, в то время как композит ПКЛ/TiO₂ показал результат, близкий к контролю (99,8 %), превзойдя чистый полимер. Низкая концентрация наночастиц оказала незначительное влияние на жизнеспособность клеток, что открывает перспективы для увеличения содержания наночастиц с целью усиления функциональных свойств (например, антибактериальной активности) без существенного роста цитотоксичности. Результаты подтверждают потенциал применения моди- Наукосфера. №10 (2), 2025 Биологические науки ISSN 2542-0402 55 http://nauko-sfera.ru/ фицированных композитов ПКЛ в биомедицине, включая создание рассасывающихся скаффолдов и шовных материалов. Наиболее перспективными являются образцы с TiO₂, показавшие наивысшую биосовместимость. Таблица 2. Показатели жизнеспособности образцов, полученные с помощью люминесцентной микроскопии Образец Контроль PCL PCL + ZnO PCL + CuO PCL + Ag2O PCL + TiO2 Выживаемость, % 99,9 99 98,8 98,4 99,6 99,8 Заключение. Получены композитные пленки поликапролактона, модифицированные наночастицами ZnO, CuO, Ag₂O и TiO₂. Оценка биосовместимости показала отсутствие цитотоксичности у всех образцов. Наилучшие результаты продемонстрировал композит с наночастицами TiO₂, где жизнеспособность клеток превысила показатель чистого ПКЛ. Практическая значимость работы заключается в перспективности применения созданных материалов для производства биосовместимых изделий медицинского назначения: рассасывающихся шовных материалов, тканеинженерных каркасов и покрытий имплантатов. Наиболее многообещающими представляются композиты с TiO₂, сочетающие высокую биосовместимость с потенциальной антимикробной активностью. Полученные результаты объясняются улучшенной адгезией клеток на поверхности композита PCL/TiO2, эти данные согласуются с результатами исследований, в которых также отмечено цитотоксическое воздействие ZnO, связанное с генерацией активных форм кислорода и высвобождением ионов Zn2+, которые нарушают нормальное функционирование клеточных метаболических путей и приводят к гибели клеток [4]. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Попков А. В., Горбач Е. Н., Кононович Н. А., Киреева Е. А., Попков Д. А. Применение биоактивного биодеградируемого имплантата из поликапролактона для лечения остеохондральных дефектов: экспериментальное исследование // Гений ортопедии. 2023. Т. 29, № 6. С. 615–628. DOI 10.18019/1028-4427-2023-29-6-615-628. 2. Astashev M. E., Sarimov R. M., Serov D. A., Matveeva T. A., Simakin A. V., Ignatenko D. N., Burmistrov D. E., Smirnova V. V., Kurilov A. D., Mashchenko V. I., Ivashkin P. I., Uvarov O. V., Voronov V. V., Shkirin A. V., Nagaev E. V., Efimov A. D., Ivanov V. E., Bruskov V. I., Dubinin M. V., Sharapov M. G., Kozlov V. A., Bunkin N. F., Volkov M. Y., Vedunova M. V., Rebezov M. B., Semenova A. A., Lisitsyn A. B., Glinushkin A. P., Chausov D. N., Gudkov S. V. Antibacterial behavior of organosilicon composite with nano aluminum oxide without influencing animal cells // Reactive and Functional Polymers. 2022. Vol. 170. P. 105143. DOI 10.1016/j.reactfunctpolym.2021.105143. 3. Boakye M. A. D., Rijal N. P., Adhikari U., Bhattarai N. Fabrication and Characterization of Electrospun PCL-MgO-Keratin-Based Composite Nanofibers for Biomedical Applications // Materials. 2015. Vol. 8. P. 4080–4095. DOI 10.3390/ma8074080. 4. Bhandary R., Ramesh A., Thomas B. et al. Influence of titanium nanoparticles on cytotoxicity and inflammatory cytokines expression in gingival fibroblasts — an in vitro study // F1000Research. 2024. Vol. 13. P. 1117. DOI 10.12688/f1000research.146523.1. 5. Chang S. H., Lee H. J., Park S., Kim Y., Jeong B. Fast Degradable Polycaprolactone for Drug Delivery // Biomacromolecules. 2018. Vol. 19. P. 2302–2307. DOI 10.1021/acs.biomac.8b00266. 6. Dahlin R. L., Kinard L. A., Lam J., Needham C. J., Lu S., Kasper F. K., Mikos A. G. Articular chondrocytes and mesenchymal stem cells seeded on biodegradable scaffolds for the repair of cartilage in a rat osteochondral defect model // Biomaterials. 2014. Vol. 35. P. 7460–7469. DOI 10.1016/j.biomaterials.2014.05.055.