kaz44Вестник Университета Шакарима. Серия технические наукиBulletin of Shakarim University. Technical Sciences2788-79953006-0524«Шәкәрім университеті» КеАҚ10.53360/2788-7995-2022-1(5)-1kaz44-373Research ArticleСТАТЬИСИНТЕЗ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ БИОСОВМЕСТИМЫХ КРИОГЕЛЕЙSYNTHESIS AND APPLICATION OF BIOCOMPATIBLE CRYOGELShttps://orcid.org/0000-0002-8468-2744ГайсинаБ. С.GaisinaB. S.

докторант кафедры химической технологии и экологии

071412, г. Семей, ул. Глинки, 20 А 

doctoral student

071412, Semey, 20 A Glinka Street

balzhan-1982@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7881-0589ОразжановаЛ. К.OrazzhanovaL. K.

кандидат химических наук кафедры химической технологии и экологии

071412, г. Семей, ул. Глинки, 20 А 

Candidate of Chemical Sciences

071412, Semey, 20 A Glinka Street

lyazzat.7070@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3360-7998СабитоваА. Н.SabitovaA. N.

PhD, кафедры химической технологии и экологии

071412, г. Семей, ул. Глинки, 20 А 

PhD

071412, Semey, 20 A Glinka Street

alfa1983@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5663-5107БаяхметоваБ. Б.BayakhmetovaB. B.

кандидат химических наук кафедры химической технологии и экологии

071412, г. Семей, ул. Глинки, 20 А 

Candidate of Chemical Sciences

071412, Semey, 20 A Glinka Street

bulbul.bayahmetova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2484-7287ШарипханЖ. Ш.SharipkhanZ. Sh.

магистр кафедры химической технологии и экологии

071412, г. Семей, ул. Глинки, 20 А 

master of Chemistry

071412, Semey, 20 A Glinka Street

zhanka_81@mail.ruУниверситет имени Шакарима города СемейКазахстанShakarim University SemeyKazakhstan20222309202203(7)615Copyright © Гайсина Б.С., Оразжанова Л.К., Сабитова А.Н., Баяхметова Б.Б., Шарипхан Ж.Ш., 20222022Гайсина Б.С., Оразжанова Л.К., Сабитова А.Н., Баяхметова Б.Б., Шарипхан Ж.Ш.Gaisina B.S., Orazzhanova L.K., Sabitova A.N., Bayakhmetova B.B., Sharipkhan Z.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tech.vestnik.shakarim.kz/jour/article/view/373

Биосовместимые криогели - это вещества с очень высокой перспективой для получения функциональных материалов. Макропористая структура имеет большое значение для использования криогелей в качестве важных материалов в медицине, катализе и некоторых областях биотехнологии. В этом обзоре авторы сосредоточились на методах получения криогелей на основе биополимеров, интерполиэлектролитных комплексов биополимеров и композитных криогелей на их основе. Сначала будет рассмотрена краткая теоретическая информация о свойствах криогелей и методах получения криогелей на основе биополимеров. Во второй части обзора собраны последние достижения в производстве криогеля на основе биополимерных комплексов и композитных криогелей. Рассматриваются особенности криогельного синтеза и факторы, влияющие на требуемые конечные свойства криогельных материалов. В третьей части обзора изучены области применения биосовместимых криогелей на нефтяных и газовых месторождениях рассматриваемого типа в биотехнологии, катализе и медицине. В биотехнологии криогельные материалы используются для иммобилизации молекул и биологических клеток, в качестве основы для роста клеток и в качестве хроматографических материалов для разделения клеток. В катализе криогельные материалы используются в качестве матрицы для иммобилизации металлических наночастиц и ферментов. Биосовместимые криогели и композиты на их основе широко используются в медицине для восстановления костной и хрящевой ткани, а также для правильного переноса лекарственных средств, обеспечивая высвобождение лекарственных веществ в организме. Перспективным является использование криотропных полимерных композиций с регулируемыми гидрофобными свойствами в качестве армирующего слоя для создания гидробарьерных экранов на нефтяных и газовых месторождениях.

Biocompatible cryogels are substances with a very high prospect for obtaining functional materials. The macroporous structure is of great importance for the use of cryogels as important materials in medicine, catalysis and some areas of biotechnology. In this review, the authors focused on methods for producing cryogels based on biopolymers, interpolyelectrolyte complexes of biopolymers and composite cryogels based on them. First, a brief theoretical information on the properties of cryogels and methods for producing cryogels based on biopolymers will be considered. The second part of the review contains the latest achievements in the production of cryogel based on biopolymer complexes and composite cryogels. The features of cryogenic synthesis and factors affecting the required final properties of cryogenic materials are considered. In the third part of the review, the fields of application of biocompatible cryogels in oil and gas fields of the type under consideration in biotechnology, catalysis and medicine are studied. In biotechnology, cryogenic materials are used to immobilize molecules and biological cells, as a basis for cell growth and as chromatographic materials for cell separation. In catalysis, cryogenic materials are used as a matrix for the immobilization of metal nanoparticles and enzymes. Biocompatible cryogels and composites based on them are widely used in medicine to restore bone and cartilage tissue, as well as for the proper transfer of drugs, ensuring the release of drugs in the body. The use of cryotropic polymer compositions with controlled hydrophobic properties as a reinforcing layer for creating hydro barrier screens in oil and gas fields is promising.

криогельбиосовместимыйбиополимермакропористыйполисахаридкатализбиотехнологияcryogelbiocompatiblebiopolymermacroporouspolysaccharidecatalysisbiotechnologyReferencesOkay O. Production of Macroporous Polymeric Materials by Phase Separation Polymerization // Macroporous Polymers:Production Properties and Bitechnological / Biomedical Applications. Mattiasson B. et al. ‒ BocaRaton: CRCPress, 2010. ‒ P. 1-22.Okay O. Production of Macroporous Polymeric Materials by Phase Separation Polymerization // Macroporous Polymers:Production Properties and Bitechnological/Biomedical Applications / Mattiasson B. et al. ‒ BocaRaton: CRCPress, 2010. ‒ P. 1-22.Филиппова О. «Умные» полимерные гидрогели / Природа. ‒ 2005. ‒ N 8. ‒ C. 11-17.Filippova O. «Smart» polymer hydrogels // Nature. ‒ 2005. ‒ N 8. ‒ C. 11-17. (In Russian) 3. Lozinsky V.I. Cryogels based on natural and synthetic polymers: preparation, properties and applications // Uspekhi khimii. ‒ 2002. ‒ N 71(6). ‒ C. 559-585 (In Russian).Лозинский В.И. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения / Успехи химии. ‒ 2002. ‒ N 71(6). ‒ C. 559-585.Nikanorov V.V. Synthesis and characteristics of cryogels of chitosan crosslinked by glutaric aldehyde / V.V. Nikanorov,R.V. Ivanov, N.R. Kil’deeva, L.N. Bulatnikova, V.I. Lozinsky // Polymer Science. Series А. – 2010. – Vol. 52(8). – P. 828–834. (DOI: 10.1134/s0965545x10080092).Nikanorov V.V. Synthesis and characteristics of cryogels of chitosan crosslinked by glutaric aldehyde / V.V. Nikanorov,R.V. Ivanov, N.R. Kil’deeva, L.N. Bulatnikova, V.I. Lozinsky / Polymer Science. Series А. – 2010. – Vol. 52(8). – P. 828-834. (DOI: 10.1134/s0965545x10080092).Alkan H. Antibody purification with protein A attached supermacroporous poly(hydroxyethyl methacrylate) cryogel / H. Al-kan, N. Bereli, Z. Baysal, A. Denizli // Biochemical engineering journal. – 2009. – Vol. 45(3). – P. 201–208. https://doi.org/10.1016/j.bej.2009.03.013Alkan H. Antibody purification with protein A attached supermacroporous poly(hydroxyethyl methacrylate) cryogel / H. Alkan, N. Bereli, Z. Baysal, A. Denizli // Biochemical engineering journal. – 2009. – Vol. 45(3). – P. 201-208. https://doi.org/10.1016/j.bej.2009.03.013.Krajnc N. Monolithic macroporous polymers as chromatographic matrices / N. Krajnc, F. Smrekar, V. Frankovic, A. Trancar,A. Podgornik // Macroporous polymers: production properties and bitechnological/biomedical applications / Mattiasson B. et al. ‒ Boca Raton: CRC Press. 2010. – P. 291-334. (DOI: 10.1201/9781420084627-c12).Krajnc N. Monolithic macroporous polymers as chromatographic matrices / N. Krajnc, F. Smrekar, V. Frankovic, A. Trancar, A. Podgornik // Macroporous polymers: production properties and bitechnological/biomedical applications / Mattiasson B. et al. ‒ Boca Raton: CRC Press. 2010. – P. 291-334. (DOI: 10.1201/9781420084627-c12).Dainiak M. Cryogels as matrices for cell separation and cell cultivation / M. Dainiak, A. Kumar, I. Galaev, B. Mattiasson // Macroporous polymers: production properties and bitechnological/biomedical applications / Mattiasson B. et al. – Boca Raton: CRC Press, 2010. – P. 363-404. (DOI: 10.1201/9781420084627-c14).Dainiak M. Cryogels as matrices for cell separation and cell cultivation / M. Dainiak, A. Kumar, I. Galaev, B. Mattiasson // Macroporous polymers: production properties and bitechnological/biomedical applications / Mattiasson B. et al. – Boca Raton: CRC Press, 2010. – P. 363-404. (DOI: 10.1201/9781420084627-c14).Akilbekova D. Biocompatible scaffolds based on natural polymers for regenerative medicine /Akilbekova D. Biocompatible scaffolds based on natural polymers for regenerative medicine / D. Akilbekova, M. Shaimerdenova, S. Adilov, D. Berillo // International Journal of Biological Macromolecules. – 2018. – Vol. 114. – P. 324-333. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.03.116D. Akilbekova, M. Shaimerde-nova, S. Adilov, D. Berillo // International Journal of BiologicalWu S.Q. Cryogel biocomposite containing chitosan-gelatin/cerium-zinc doped hydroxyapatite for bone tissue engineering / S.Q. Wu, S.Z. Ma, C. Zhang, G.Q. Cao, D.J. Wu, C.Z. Gao, S. Lakshmanan // Saudi Journal of Biological Sciences. – 2020. – Vol. 27(10). – P. 2638-2644. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2020.05.045.Macromolecules. – 2018. – Vol. 114. – P. 324-333. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.03.116 9. Wu S.Q. Cryogel biocomposite containing chitosan-gelatin/cerium-zinc doped hydroxyapatite for bone tissue engineering / S.Q. Wu, S.Z. Ma, C. Zhang, G.Q. Cao, D.J. Wu, C.Z. Gao, S. Lakshmanan // Saudi Journal of Biological Sciences. – 2020. – Vol. 27(10). – P. 2638-2644. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2020.05.045.Offeddu G.S. Cartilage-like electrostatic stiffening of responsive cryogel scaffolds / G.S. Offeddu, I. Mela, P. Jeggle,R.M. Henderson, S.K. Smoukov, M.L. Oyen // Scientific Reports. – 2017. – Vol. 7. – P. 1-10. https://doi.org/10.1038/srep42948.Offeddu G.S. Cartilage-like electrostatic stiffening of responsive cryogel scaffolds / G.S. Offeddu, I. Mela, P. Jeggle,R.M. Henderson, S.K. Smoukov, M.L. Oyen // Scientific Reports. – 2017. – Vol. 7. – P. 1-10. https://doi.org/10.1038/srep42948.Kuo C.-Y. Incorporation of chitosan in biomimetic gelatin/chondroitin-6-sulfate/hyaluronan cryogel for cartilage tissue engineering / C.-Y. Kuo, C.-H. Chen, C.-Y. Hsiao, J.-P. Chen // Carbohydrate Polymers. – 2015. – Vol. 117. – P. 722-730.Kuo C.-Y. Incorporation of chitosan in biomimetic gelatin/chondroitin-6-sulfate/hyaluronan cryogel for cartilage tissue engi- neering / C.-Y. Kuo, C.-H. Chen, C.-Y. Hsiao, J.-P. Chen // Carbohydrate Polymers. – 2015. – Vol. 117. – P. 722-730.Brovko O.S. Gels of sodium alginate-chitosan interpolyelectrolyte omplexes / O.S. Brovko, I.A. Palamarchuk, N.A. Val’chuk, D.G. Chukhchin, K.G. Bogolitsyn, T.A. Boitsova // Russian Journal of Physical Chemistry A. – 2017. – Vol. 91(8). – P. 1580-1585. https://doi.org/10.1134/S0036024417160014.Brovko O.S. Gels of sodium alginate‒chitosan interpolyelectrolyte omplexes / O.S. Brovko, I.A. Palamarchuk, N.A. Val’chuk, D.G. Chukhchin, K.G. Bogolitsyn, T.A. Boitsova // Russian Journal of Physical Chemistry A. – 2017. – Vol. 91(8). – P. 1580-1585. https://doi.org/10.1134/S0036024417160014.Shalumon K.T. Rational design of gelatin/nanohydroxyapatite cryogel scaffolds for bone regeneration by introducing chemical and physical cues to enhance osteogenesis of bone marrow mesenchymal stem cells / K.T. Shalumon, H.T. Liao, C.Y. Kuo, C.B. Wong,C.J. Li, P.A. Mini, J.P. Chen // Materials Science & Engineering C-Materials for Biological Applications. – 2019. – ol. 104. – P. 1-19. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.109855.Shalumon K.T. Rational design of gelatin/nanohydroxyapatite cryogel scaffolds for bone regeneration by introducing chemical and physical cues to enhance osteogenesis of bone marrow mesenchymal stem cells / K.T. Shalumon, H.T. Liao, C.Y. Kuo, C.B. Wong,C.J. Li, P.A. Mini, J.P. Chen // Materials Science & Engineering C-Materials for Biological Applications. – 2019. – ol. 104. – P. 1-19. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.109855.Klivenko A.N., Mussabayeva B.Kh., Gaisina B.S., Sabitova N. Biocompatiblecryogels: preparation and application // Bulletin of the University of Karaganda – Chemistry. – 2021. № 3(103). – Р. 4-20. (DOI:org/10.31489/2021Ch3/4-20).Klivenko A.N., Mussabayeva B.Kh., Gaisina B.S., Sabitova .N. Biocompatiblecryogels:prepara-tionand applicationBulletin of the University of Karaganda – Chemistry. – 2021. – № 3(103). – Р. 4-20. (DOI:org/10.31489/2021Ch3/4-20).Лозинский В.И. Криотропное гелеобразование растворов поливиниловогоспирта / В.И. Лозинский // Успехи химии. – 1998. – Т. 67, № 7. – С. 641-655.Lozinsky V.I. Cryotropic gelation of polyvinyl alcohol solutions / V.I. Lozinsky // Advances in Chemistry. – 1998. – V.67, No. 7. – S. 641-655 (In Russian).Алтунина Л.В., Никулин Е.В., Бурков П.В., Фуфаева, М.С. Бурков В.П. Применение криогелей при сооружении объектов нефтегазового сектора / Neftegaz.RU. – 2021. – № 12. – С.80-92.Altunina L.V., Nikulin E.V., Burkov P.V., Fufaeva M.S., Burkov V.P. The use of cryogels in the construction of oil and gas facilities // Neftegaz.RU. – 2021. – No. 12. – S. 80-92. (In Russian)S. Bhat, A. Iripathi, A. Kumar. Supermacroprous cliitosan agarose genipin cryogels: In vitro characterization and in vivo assessment lor cartilage tissue engineering / J. R. Soc. Interface. – 2011. – Vol. 8. – No. 57. – P. 540-554.S. Bhat, A. Iripathi, A. Kumar. Supermacroprous cliitosan agarose genipin cryogels: In vitro characterization and in vivo assessment lor cartilage tissue engineering // J.R. Soc. Interface. – 2011. – Vol. 8. – No. 57. – P. 540-554.V.M. Gun'ko, I.N. Savina, S.V. Mikhalovsky. Cryogels: morphological, structural and adsorption characterisation / Adv. Coll. Interface Sci. – 2013. – Vol. 187-188. – No. 1. – P. 1-46.V.M. Gun'ko, I.N. Savina, S.V. Mikhalovsky. Cryogels: morphological, structural and adsorption characterisation // Adv. Coll. Interface Sci. – 2013. – Vol. 187-188. – No. 1. – P. 1-46.M.S. Kuyukina, B. Ivshina, M.K. Serebrennikova, A.B. Krivorutchko, E.A. Podorozhko, R.V. Ivanov, V.I. Lozinsky. Petroleum-contaminated water treatment in a fluidized-bed bioreactor with immobilized Rhodococcus cells / Int. Biodeterior.Biodegradation. – 2009 – Vol. 63. – No. 4. – P. 427-432.M.S. Kuyukina, B. Ivshina, M.K. Serebrennikova, A.B. Krivorutchko, E.A. Po-dorozhko, R.V. Ivanov, V.I. Lozinsky. Petroleum-contaminated water treatment in a flu- idized-bed bioreactor with immobilized Rhodococcus cells // Int. Biodeterior.Biodegradation. – 2009 – Vol. 63. – No. 4. – P. 427-432.L. Onnby, C. Svensson, L. Mbundi, R. Busquets, A. Cundy, H. Kirsebom y-Al2O3-based nanocomposite adsorbents for arsenic (V) removal: Assessing performance, toxicity and particle leakage / Sci. Total Environ. – 2013. – Vol. 473. – No. 1. – P. 207-214.L. Onnby, C. Svensson, L. Mbundi, R. Busquets, A. Cundy, H. Kirsebom y-Al2O3-based nanocomposite adsorbents for arsenic (V) removal: Assessing performance, toxicity and particle leakage // Sci. Total Environ. – 2013. – Vol. 473. – No. 1. – P. 207-214.A. Gupta, J. Sarkar, A. Kumar. High throughput analysis and capture of benzo [a]-pyrene using supermacroporous poly (4-vinyl pyridine- co-divinyl benzene) cryogel matrix / J. Chromatogr. A. – 2013. – Vol. 1278. – No. 1. – P. 16-21.A. Gupta, J. Sarkar, A. Kumar. High throughput analysis and capture of benzo [a]-pyrene using supermacroporous poly (4-vinyl pyridine- co-divinyl benzene) cryogel matrix // J. Chromatogr. A. – 2013. – Vol. 1278 – No. 1. – P. 16-21.L. Onnby, C. Giorgi, F.M. Plieva, B. Mattiasson Removal of heavy metals from water effluents using supermacroporous metal chelating cryogels / Biotechnol. Prog. – 2010. – Vol. 26. – No. 5. – P. 1295-1302.L. Onnby, C. Giorgi, F.M. Plieva, B. Mattiasson Removal of heavy metals from water effluents using supermacroporous metal chelating cryogels // Biotechnol. Prog. – 2010. – Vol. 26. – No. 5. – P. 1295-1302.Henderson, T. M. A. Cryogels for biomedical applications / T. M. A. Henderson, K. Ladewig, D. N. Haylock, K. M. McLean, A. J. O'Connor // J. Mater. Chem. B. – 2013. – № 1. – Р. 26822695. (DOI:10.1039/c3tb20280a).Henderson, T. M. A. Cryogels for biomedical applications / T. M. A. Henderson, K. Ladewig, D. N. Haylock, K. M. McLean, A. J. O'Connor // J. Mater. Chem. B. – 2013. – № 1. – Р. 26822695. (DOI:10.1039/c3tb20280a).24. Лозинский В.И. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения / В.И. Лозинский // Успехи химии. – 2002. – № 71. – С. 559-571.Lozinsky V.I. Cryogels based on natural and synthetic polymers: preparation, properties and applications / V.I. Lozinsky // Uspekhi khimii. – 2002. – No. 71. – pp. 559-571 (In Russian).Verma, А. Polyelectrolyte complex- an overview / A.Verma, A. Verma //International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research. – 2013. – Vol. 4(5). – Р. 1684-1691.Verma, А. Polyelectrolyte complex- an overview / A.Verma, A. Verma // International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research. – 2013. – Vol. 4(5). – Р. 1684-1691.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.