Полимеры в медицине доклад по химии

Обновлено: 17.05.2024

Полимеры в медицине: особенности применения

Полимерные материалы, находящиеся в контакте с биологическими средами живого организма, могут растворяться в этих средах без изменения молекулярной массы или подвергаться биодеструкции по следующим основным механизмам:

гидролиз с образованием макромолекулярных осколков и мономерных продуктов;
каталитический гидролиз под влиянием ферментов;
фагоцитарное разрушение (защитная клеточная реакция организма на инородное тело).

В реальных условиях скорость биодеструкции, по-видимому, обусловлена суммарным воздействием указанных факторов.

Биологическая активность полимерных материалов связана с образованием продуктов биодеструкции, а также с присутствием в полимерах остаточных мономеров и добавок (пластификаторов, стабилизаторов, красителей, наполнителей, эмульгаторов, инициаторов и др.).

Среди многочисленных проблем санитарно-химических исследований особое значение имеют следующие:

выявление токсикологической опасности полимерных материалов на основании качественного и количественного определения состава низкомолекулярных продуктов;
изучение закономерностей миграции примесей из полимеров в зависимости от их химической природы и сред живого организма;
исследование процессов метаболизма, изменений функциональных систем организма, путей выведения из него продуктов биодеструкции.

Особое значение имеет токсикологическая оценка полимерных материалов, применяемых в медицине в условиях непосредственного контакта с живым организмом. Необходимость тщательной токсикологической оценки полимеров, даже обладающих высокой химической стойкостью и инертностью, связана с тем, что процессы их переработки часто осуществляются при температуpax, близких или превосходящих начальные температуры разложения этих полимеров (табл. 1). Продукты термической и термоокислительной деструкции могут присутствовать в материале в сорбированном виде и оказывать токсическое воздействие на организм, которое непосредственно не связано с химической природой и структурой исходного полимера.

Имплантация в организм животных ряда полимерных материалов, не обладающих общетоксическим действием, может приводить к возникновению злокачественных опухолей. Так, через 6—8 месяцев после имплантации в различные органы крыс гладких пластинок из полиэтилена, поливинилхлорида, фторопласта, полиакрилатов, полиамидов, кремнийорганического каучука и др. наблюдалось возникновение злокачественных опухолей. Однако такое бластоматозное действие наблюдалось лишь на мелких животных (крысы, мыши, хомяки, морские свинки), причем аналогичным образом в этих условиях проявляли себя такие инертные материалы, как стекло, благородные металлы. Установлено также, что имплантация полимеров в виде порошка или перфорированных пластин не вызывает образования опухолей и оказывает слабый бластоматозный эффект. Большинство исследователей считает, что бластомогенное действие биоинертных полимеров обусловлено не их химической природой, а механическим длительным раздражением стенок соединительнотканной капсулы, возникающей вокруг имплантированного материала, и нарушением нормального обмена в ней.

Таблица 1. Допустимые температуры переработки полимерных материалов при производстве изделий медицинского назначения:

Полимеры медико-технического назначения

Применение полимеров для изготовления изделий медицинской техники позволяет осуществлять серийный выпуск инструментов, предметов ухода за больными, специальной посуды и различных видов упаковок для лекарств, обладающих рядом преимуществ перед аналогичными изделиями из металлов и стекла: экономичностью, в ряде случаев — повышенной стойкостью к воздействию различных сред, возможностью выпуска изделий разового использования и др.

Основные требования к полимерам (и материалам на их основе) для производства изделий медицинской техники:

необходимый комплекс физико-механических свойств, зависящий от конкретного назначения материала;
повышенная химическая стойкость, обусловливающая стабильность изделий под воздействием жидких сред, в том числе стерилизующих жидкостей;
минимальное содержание низкомолекулярных примесей, стабилизаторов, катализаторов и других технологических добавок;
отсутствие запаха;
способность выдерживать тепловую стерилизацию (в том числе автоклавирование) и радиационную стерилизацию;
стабильность состава жидких медицинских препаратов, находящихся в контакте с полимерным материалом;

Химия полимеров в настоящее время является одной из перепек областей науки и с течением времени открывается все больше путей для внедрения ее разработок .Одной из важнейших по своему значению для жизни человека областью использования полимеров является медицина.

Строго говоря , использование высокомолекулярных соединений в медецине - результат тесного сотрудничества трех наук - химии, медицины и биологии. Порою кажется, что достижения ученых в этой области - это самые смелые наши мечты, каким-то чудом нашедшие воплощение в реальности, уже никого не удивляют синтетические эквиваленты тканей человека(костей, зубов, суставов, стенок кровеносных сосудов и т. д.). В клинической практики с большим успехом применяются искусственные клапаны и желудочки сердца, сополимерные заменители плазмы крови человека.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ПОЛИМЕРОВ

Синтетические полимеры, как и природные, являются высокомолекулярными соединениями, т. е. молекула полимера состоит из множества молекул мономера - наименьших повторяющихся фрагментов макромолекулы полимера.

Среди полимеров различают:
• линейные - полимеры, структурные фрагменты которых соединены между собой в линейные цепи;
• разветвленные - полимеры, в структуре которых линейные цепи нерегулярно соединены между собой, причем боковые цепи не отличаются от главных построению. Полимеры, в которых боковые и главные цепи различаются по строению, называются привитыми сополимерами;
• сшитые - полимеры, в которых каждая цепь имеет хотя бы два места соединения с другими цепями.
По свойствам полимеры классифицируются на:
• эластомеры - обладают высокой эластичностью, способны растягиваться оолее чем в 10 раз и восстанавливать свою форму (при условии постоянной температуры);
• термопласты - обладают пластичностью при нагревании, также способны Деформироваться при механическом воздействии, однако после прекращения действия деформирующего фактора или при охлаждении уже не способны сами вернуть первоначальную форму;
• реактопласты - обладают термореактивностью - способностью необратимо изменять свою форму при термическом или механическом воздействии, причем после прекращения воздействия они теряют способность вновь деформироваться;
• волокна - полимеры, макромолекулы которых расположены в одном направлении. Волокна обладают невысокой растяжимостью, однако их прочность на разрыв достаточно велика.

Получить полимеры можно, используя два основных типа реакций:

• цепные;
• ступенчатые.
Цепные реакции протекают путем присоединения молекул мономера к цепи .К этому типу реакций относятся реакции полимеризации. Характернойностыо этих реакций является то, что цепь полимера после присоединения молекулы мономера продолжает расти.
Ступенчатые реакции протекают в виде присоединения молекулы мономера к уже образовавшейся цепи полимера. После каждого такого присоединения образуется устойчивый полимер. К реакциям этого типа относятся полиприсоединения и поликонденсации.

Реакция полимеризации - это процесс образования высокомолекулярного соединения из низкомолекулярного путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. Полимеризация может протекать только в том случае ,если мономер содержит группировку, способную раскрываться с образованием свободных связей (С=С, С=С, С=0, C=N и др.). Инициаторами (т. е. факторами,способствующими образованию активного центра) в реакциях полимеризации выступают нагревание, сверхвысокое давление, облучение, катализаторы свободные радикалы.
Реакция полимеризации имеет цепной механизм. Различают такие стадии реакции: зарождение цепи, рост цепи, передача цепи и обрыв цепи.

Зарождение цепи происходит в результате присоединения к мономерe активной частицы (радикала, катиона или аниона) - мономер активизируется. Образовавшийся на нем активный центр в дальнейшем будет оставаться в составе растущей цепи, пока цепь не оборвется или не произойдет передача цепи.
В зависимости от того, как происходит зарождение цепи, иолимеризацию делят на радикальную, катионную и анионную.

Рост цепи - процесс присоединения молекул мономера к цепи. Обрыв цепи может произойти в результате присоединения другого радикала или иона или при передаче избытка энергии активного центра другой частице ( передача цепи).

Реакция поликонденсации - это способ получения высокомолекулярного соединения, в ходе которого протекает взаимодействие между функциями группами и выделение низкомолекулярного продукта (воды, спирта,водорода и т. д.). ,

Образование побочного продукта является огромным недостатком реакций поликонденсации.Кроме того, далеко не все мономеры в ходе реакции превращаются в полимеры, а удалить их из продукта довольно сложно. Исходные низкомолекулярные соединения часто являются токсичными,поэтому перед использованием в медицинских (как и в других) целях такие полимеры нуждаются в дополнительной очистке .Кроме того, медецинские марки полимеров требуют специальных условий для их образования.

В этом отношении реакции полимеризации гораздо более удобны для получения медицинских полимеров. Побочные продукты не образуются, а непрореагировавших молекул мономера не остаётся. В крайнем случае, их можно довольно легко вывести из сферы реакции. Следует отметить, что поиск путей ещё более глубокой очистки медицинских полимеров продолжается. Это вызвано тем , что даже мизерные дозы непрореагировавшего мономера , находясь в объёме изделия из полимерного материала, со временем мигрируют на поверхность и оказывают отравляющее действие на организм.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ В МЕДИЦИНЕ
Полисилоксаны, или силиконовые каучуки, - высокомолекулярные соединения, основная цепь которых построена из атомов кремния и кислорода, а в состав боковых групп входят атомы углерода. Получают полисилоксаны реакцией поликонденсации; в качестве мономеров используются кремнийорганические мноогатомные спирты. Использование полисилоксанов в медицине обусловлено их физиологической инертностью.
Одним из полисилоксанов, нашедших широкое применение, является трифторпропиленметилполисилоксан. Его основным свойством является хорошая совместимость с кровью, т. е. образование тромбов при контакте с кровью этого полимера происходит в значительной степени менее активно, чем в случае использования других полимеров. Также на основе данного полисилоксана изготавливают силиконовые резины - материалы, незаменимые при изготовлении изделий, контактирующих с кровью (элементы аппаратов искусственного кровообращения и искусственной почки, мембраны клапанов сердца и сами клапаны).
Довольно перспективными веществами в плане использования в медицине являются силиконовые масла - жидкие кремнийорганические полимеры. Они обладают способностью растворять и удерживать кислород, что позволяет использовать их как заменители плазмы.

Полиэфирные смолы - ненасыщенные растворы сложных полиэфиров. Полиэфирами называются синтетические полимеры, в составе молекул которых содержится простая эфирная (R-O-R₁, где R и R₁ - углеводородные радикалы) или сложноэфирная (R-O-CO-R₁) группа. Как правило, полиэфирные смолы изготавливают, используя в качестве растворимого вещества полиэфиры, полученные поликонденсацией гликолей с малеиновой или фумаровой кислотой. Растворителем является мономер (например, стирол).
Широкое применение в медицине находит полиэтилентерефталан. Волокна этого полимера являются основой для изготовления протезов кровеносных сосудов.
Вообще материалы для изготовления искусственных кровеносных, должны обладать рядом качеств, среди которых наибольшее значение имеет пористость. В кровеносных сосудах организма пористость боковых сиенок играет очень важную роль, благодаря ей обеспечивается циркуляция между кровью и межтканевым пространством. Кроме того, наличие отверстий в стенках протезов позволяет естественным тканям кровеносных сосуд проростать в них, обеспечивая вживление и функционирование протеза.
Полиэфирные волокна уже более 20 лет используются в изготовлен, протезов. Иногда ими заменяют очень большие пораженные участки сосудестой системы.

ПОЛИМЕРЫ В ФАРМАКОЛОГИИ

Синтетические полимеры находят широкое применение в фармакологии благодаря тому, что тщательно разработанные методы синтеза позволяют получать полимеры, строение которых аналогично строению полимерных соединений нашего организма. Кроме того, строение синтетического полимера может быть модифицировано таким образом, чтобы сообщить ему дополнительные свойства, которыми естественный аналог не располагает. Рассмотрим несколько примеров.
Инсулин - белковый гормон животных и человека, вырабатываемый поджелудочной железой. Действие инсулина заключается в том, что он резко увеличивает проницаемость стенок мышечных и жировых клеток для глюкозы.Действие инсулина избирательно - на проницаемость стенок нейронов( нервных клеток) он не влияет. Именно инсулин несет ответственность за усвоение организмом глюкозы, синтез гликогена (полисахарида, образованного остатками глюкозы; откладывается в виде гранул в цитоплазме клеток печени и действием ферментов расщепляется до глюкозы), накопление гликогена в мышечных волокнах.
Недостаточное образование инсулина приводит к тому, что в организме развивается тяжелейшее заболевание эндокринной системы - сахарный диабет.Эта болезнь характеризуется снижением способности печени и мышц усваивать глюкозу и другие углеводы. Это значит, что в крови имеется избыток глюкозы, которая впоследствии выводится с мочой, но в клетки она не поступает (острый клеточный голод). В результате клетки гибнут, а глюкоза, не усваиваясь ,выводится из организма.

Последствия сахарного диабета - это поражение периферийных нервных узлов, в результате чего нарушается работа конечностей; нарушение зрения ,атеросклероз.
Лечение сахарного диабета в основном проводится путем инъекций инсулина и инсулиновых препаратов. В настоящее время успешно осуществляется синтез искусственного инсулина. В отличие от инсулина, получаемого из биологического сырья, искусственный инсулин не содержит примесей, из-за чего его эффективность намного выше эффективности биологического инсулина.

Интерферон - низкомолекулярный белок, действие которого в организме направлено на подавление размножения в клетках различных вирусов, защиту клетки от бактерий и внутриклеточных паразитов. Искусственно синтезирование интерферогены при введении в организм образуют интерферон.

Как показывает практика, химия полимеров заняла прочные позиции в медицине и позволяет ей решать задачи, которые раньше казались неразрешимыми.[/sms]

Полимеры давно привлекли внимание многочисленных исследователей и ученых из сферы медицины. Медицина является стремительно развивающейся отраслью, где находят применение самые различные материалы и технологии. На сегодняшний день полимеры в медицине применяются практически повсеместно и для совершенно различных целей.

В настоящее время из полимеров изготавливается более трех тысяч различных видов медицинских изделий. Вполне понятно, что дальнейшие успехи в этой области зависят от кооперирования и творческого сотрудничества между химиками и медиками.

Тем не менее, к настоящему времени медицинские марки полимеров уже успели прочно закрепиться в индустрии. Так, из этих марок полимеров изготавливают искусственные сосуды, суставы и иные изделия, имитирующие ткани и органы человеческого организма. Из полиамидов, кроме всего прочего, изготавливают хирургические нити, а из полиуретанов – камеры искусственного сердца. Наиболее часто применяющиеся в медицине полимеры - силиконы. Их положительными свойствами являются химическая и физиологическая инертность, термостабильность - до 180°C. Силиконы необходимы при косметических операциях на лице, молочных железах, для изготовления катетеров, клапанов сердца, пленки для защиты поверхности кожи при ожогах.
Особенно высокие требования предъявляются к полимерам в ортопедической стоматологии - протезировании.

Современная реконструктивная хирургия сердца и сосудов немыслима без полимеров.

Полимеры применяются также в восстановительной кардиохирургии, для замещения дефектов стенок и перегородок сердца.

Хирургия открытого сердца немыслима без искусственного кровообращения. Из полимеров изготовляется соответствующая аппаратура.

И этот список можно продолжать бесконечно.
Несмотря на стремительное расширение использования полимеров в медицине, следует признать, что в этой сфере остается еще ряд острых нерешенных вопросов. Так, например, при использовании полимерных компонентов для целей замены органов и тканей организма не редкими являются случаи отторжения этих изделий. Причиной этого является биологическая несовместимость полимеров с тканями организма, поэтому можно прогнозировать, что усилия многих ученых и исследователей уже в ближайшем будущем будут направлены на разработку новых марок полимеров, которые будут характеризоваться намного большей биосовместимостью.

Интересной и перспективной является деятельность по разработке другой группы биологически активных полимеров – биоразлагамых материалов с регулируемым сроком службы. Такие полимеры могут применяться для производства инновационных шовных материалов для полостных операций или временных имплантатов. В организме эти материалы подвергаются постепенному разложению, но срока их эксплуатации оказывается достаточно для того, чтобы ткани организма полностью восстановили свои функции. В этом случае при лечении пациента не приходится проводить для него повторную операцию для снятия швов или извлечения из организма инородных объектов, как это происходит в настоящее время.

Современная медицина не стоит на месте, и, наверняка, впереди в этой сфере нас ждет еще множество открытий, напрямую связанных с индустрией полимеров.

Полимеры высокомолекулярные соединения (ВМС), вещества с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы, соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленные цепи, а также пространственные трехмерные структуры. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число ВМС получают синтетическим путем на основе простейших соединений и элементов нефтяного, углехимического, лесохимического и минерального происхождения в результате реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений одних полимеров (природных и синтетических) в другие. Особую группу составляют неорганические полимеры (пластичная сера, силикаты и др.).

В зависимости от строения основной цепи ВМС делятся на линейные, разветвленные и трехмерные (пространственные) структуры. Линейные и разветвленные цепи можно превратить в трехмерные действием химических агентов, света и радиации, а также путем "сшивания" (вулканизации). В качестве примеров можно привести вулканизацию каучука,отвердение фенолформальдегидных, эпоксидных и полиэфирных смол, образование прочных пленок и покрытий из высыхающих масел, природных смол, эпоксидов и др.

Линейные ВМС могут иметь как кристаллическую, так и аморфную (стеклообразную) структуру. Разветвленные и трехмерные полимеры, как правило, являются аморфными. При нагревании они переходят в высокоэластическое состояние подобно каучуку, резине и другим эластомерам. При действии особо высоких температур, окислителей, кислот и щелочей органические и элементоорганические ВМС подвергаются постепенному разложению, образуя газообразные, жидкие и твердые (коксы) соединения.

Физико-механические свойства линейных и разветвленных полимеров во многом связаны с межмолекулярным взаимодействием за счет сил побочных валентностей. Так, например, молекулы целлюлозы взаимодействуют между собой по всей длине молекул, и это явление обеспечивает высокую прочность целлюлозных волокон. А разветвленные молекулы крахмала взаимодействуют лишь отдельными участками, поэтому не способны образовывать прочные волокна. Особенно прочные волокна дают многие синтетические полимеры (полиамиды, полиэфиры, полипропилен и др.), линейные молекулы которых расположены вдоль оси растяжения.

Трехмерные структуры могут лишь временно деформироваться при растяжении, если они имеют сравнительно редкую сетку (подобно резине), а при наличии густой пространственной сетки они бывают упругими или хрупкими в зависимости от строения. ВМС делятся на две большие группы: гомоцепные, если цепь состоит из одинаковых атомов (в том числе карбоцепные, состоящие только из углеродных атомов), и гетероцепные, когда цепь включает атомы разных элементов. Внутри этих групп полимеры подразделяются на классы в соответствии с принятыми в химической науке принципами.

Так, если в основную или боковые цепи входят металлы, сера, фосфор, кремний и др., полимеры относят к элементоорганическим соединениям.

Изучение ВМС началось лишь в XIX в., а принципы их строения были установлены в 20-30-х. гг. XX в. В 1920 г. немецкий ученый Г.Штаудингер, основываясь на теории химического строения органических веществ, высказал гипотезу о "макромолекулярном" строении полимеров и связал с этим их физико-химические свойства (например, вязкость растворов). В дальнейшем разработка этой гипотезы привела к созданию теории строения макромолекул, на основе которой стал производиться синтез все новых и новых классов полимеров с заданными свойствами.

Развитию теории строения полимеров способствовали труды С.В.Лебедева, П.П.Шорыгина, С.С.Медведева, В.А.Каргина, В.В.Коршака, У.Карозерса, П.Флори, Г.Марка и многих других ученых разных стран.

Полимерные материалы делят на три основные группы: пластические массы, каучуки, химические волокна. Они широко применяются во многих областях человеческой деятельности, удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта.

Есть два типа химических реакций, приводящих к превращению мономеров в полимеры: поликонденсация и полимеризация. Они отличаются химическим строением мономеров, закономерностями протекания процесса и, как правило, свойствами получаемых продуктов.

Для поликонденсации необходимы мономеры, содержащие в каждой молекуле не менее двух реакционно-способных групп, например гликоли HOROH, аминокислоты H NRCOOH, диизоцианаты OCNRNCO и т.д. Сам ход процесса поликонденсации многостадийный. Одна активная группа одной молекулы мономера реагирует с одной группой другой молекулы образуется димер опять с двумя активными группами. Например, химический синтез полиэфирного волокна лавсана из терефталевой кислоты и этиленгликоля начинается с такой реакции:

HOCH CH OH + HOOC C H COOH > HOCH CH OOC C H COOH + H O

Димер реагирует далее с мономером или с димером, давая тример или тетрамер, и т.д. Иногда при таких процессах выделяются низкомолекулярные продукты (вода, аммиак и т.д.), иногда нет. Прежде выделение побочных низкомолекулярных веществ считали обязательным признаком реакции поликонденсации, но синтез высокомолекулярных соединений полиуретанов показывает, что этот признак совсем не обязательный:

HOCH CH OH + OCN R NCO > HOC H O C N R NCO II I

Если реакцию вести достаточно долго, то теоретически все молекулы, находящиеся в реакционной среде, должны сконденсироваться в одну сверхгигантскую макромолекулу. В действительности так не происходит. Рост молекул прекращается значительно раньше. Причины различные: небольшой избыток одного мономера, наличие примесей, повышение вязкости среды и т.д. Немаловажную роль играет и то, что многие реакции поликонденсации обратимы.

Проходя через стадии ди-, три-, тетрамеров и т.д., молекулярная масса продукта нарастает медленно, и высокомолекулярные соединенияполимерыобычно образуются лишь к концу процесса, при общем превращении 95-99% мономеров. Но зато химики могут приостановить процесс на промежуточной стадии и сформовать изделие сначала из легкоплавких олигомеров, а затем довести реакцию поликонденсации до конца и получить прочный, теплостойкий и нерастворимый продукт (особенно если в синтезе участвуют мономеры с тремя и более функциональными группами). Эта особенность поликонденсации широко используется в промышленности, например при синтезе и формовании пенополиуретанов, фенолформальдегидных смол и других материалов, на основе которых получают пластические массы, и т.п.

Характерные особенности полимеризации в том, что прежде всего вступают в нее только мономеры, содержащие в молекуле двойную связь C=C, C=N или C=O, тройную связь либо циклическую группировку, способную раскрываться. Для того чтобы мономер вступил в реакцию полимеризации, к нему надо добавить (или создать в его среде) инициирующий активный центр: свободный радикал, активный ион или активный координационный комплекс. И наконец, еще одна специфическая особенность реакций полимеризации состоит в том, что присоединение молекул мономера к активному центру происходит медленнее, чем последующее наращивание полимерной цепи присоединением молекул мономера друг к другу.

В результате после введения активных центров в массу мономера, прервав реакцию в любой момент,можно найти там большее или меньшее количество непрореагировавшего мономера и какое-то количество высокомолекулярного полимера. Выделить из такой смеси ди-, три-, тетрамеры и прочие промежуточные продукты полимеризации обычно невозможно их нет. Такие процессы называются цепными реакциями.

Хотя впервые полимеризация была описана еще в XIX в. как побочный процесс смолообразования при выделении некоторых органических веществ (стирола, формальдегида и др.), теоретическое объяснение ее механизма стало возможно лишь в 30-х. гг. нашего столетия, на основе созданной советским академиком Н.Н.Семеновым и английским ученым С.Хиншелвудом теории цепных процессов.

Есть и еще одно отличие полимеризации от поликонденсации: обычно полимеризационным путем получают полимеры из мономеров, содержащих лишь одну реакционноспособную группу: одну С=С связь, одну С=О группу и т.д. Типичные примеры химические синтезы полиэтилена и полиформальдегида:

A + nH C = CH > A /CH CH -/n.

A + nH C = O > A / CH O -/n.

где А инициирующий активный центр, а n число мономерных звеньев, образующих макромолекулу (обычно превышает несколько тысяч).

Для каждого мономера химикам приходится подбирать специальные инициирующие активные агенты: перекисные соединения, окислительновосстановительные катализаторы и т.д.; определять условия проведения процесса: в массе мономера, в растворе, в эмульсии, в газовой фазе,в монокристаллах и т.д. При этом концентрации инициирующих веществ обычно ничтожно малы сотые доли процента, а условия могут очень резко отличаться друг от друга от глубокого вакуума до давления в тысячи атмосфер, от температуры жидкого гелия 272,1 С (твердофазная полимеризация формальдегида) до +200-300 С (полимеризация этилена при высоком давлении) и т.д.

Сейчас синтетические полимеры, выпускаемые в мире, примерно на 75% состоят из продуктов полимеризации. Применяются они в строительстве и радиоэлектронике, машиностроении и производстве бытовых изделий.

В медицине применяются изготовленные из синтетических полимеров искусственные суставы, сосуды и т.п.,полностью заменяющие настоящие.Часто они изготавливаются из материалов на основе ВМС (полимеров) пластмасс. При нагревании им можно придавать различную форму. На этом свойстве основано производство разнообразных изделий из них. Как правило, пластмасса смесь нескольких веществ; полимер лишь одно из них, но самое важное. Он связывает остальные компоненты в единую, более или менее однородную массу, поэтому полимер часто называют связующим.

Первоначально пластмассы получали на основе природных полимеров производных целлюлозы, каучука, молочного белка казеина и др.; потом в качестве связующих стали применять и синтетические полимеры фенолформальдегидные смолы, полиакрилаты, полиэфиры и др. Общее для всех пластмасс то, что во время формирования изделий их полимеросвязующее находится в вязкотекучем состоянии, а при эксплуатации в стеклообразном или кристаллическом.

На начальных стадиях формования изделия из пластмассы молекулы полимера практически всегда имеют линейную или разветвленную структуру. Если эта структура сохраняется и после формования, пластмасса может многократно при нагревании возвращаться в вязкотекучее состояние. Материалы, обладающие этим свойством, называют термопластичными (термопластами). К их числу относятся такие известные пластики, как полиэтилен, полистирол, полиамиды и поликарбонаты.

Если же в процессе формования изделия происходит сшивка макромолекул и полимер, твердея, приобретает сетчатое строение, то такую пластмассу уже нельзя возвратить в вязкотекучее состояние нагреванием или растворением. Эти пластмассы называются термореактивными (реактопластами). Среди них пластики на основе фенолформальдегидных, алкидных, эпоксидных смол.

Изделия из пластмасс очень легкие (имеют малую плотность), большинство пластмасс почти не проводят электрического тока и тепла, многие устойчивы к коррозии в агрессивных средах, некоторые не теряют своих прочностных свойств даже при значительном изменении температуры.Из пластических масс можно получать при помощи формования изделия разнообразной конфигурации, заменять ими металлические детали. Поэтому пластмассы находят очень широкое применение во многих областях человеческой деятельности.

Большое значение в наши дни приобрели кремнийорганические соединения, прежде всего полимерные. Это теплостойкий и морозоустойчивый силиконовый каучук, чрезвычайно важные для электротехники изоляторы кремнийорганические лаки. Даже в бытовой химии кремнийорганические соединения широко используются: обработанная ими одежда меньше загрязняется и мнется. Кремний (лат. Silicium) химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086.

Как самостоятельный химический элемент кремний был открыт в 1825 году шведским химиком и минералогом Й.Берцелиусом.

Нагревая фторосиликат с калием, он восстановил кремний из этого соединения:

K SiF + 4K = 6KF + Si

Ж.Л.Гей-Люссак и Л.Ж.Тенар получили кремний за 12 лет до Берцелиуса, но очень нечистый. В 1834 году русский химик Г.И.Гесс дал новому элементу русское название,оставшееся неизменным до наших дней,"кремний" (от древнегреческого "кремнос"-"утес","скала"). От кремния (по-латыни "силекс") идет и латинское название этого элемента.

Кремний второй по распространенности элемент после кислорода (29,5% от массы земной коры), один из главных элементов неживой природы. Его соединениясиликаты и алюмосиликатысоставляют 75% земной коры. В природе кремний встречается лишь в виде соединений, и почти всегда наряду с кремнием в их составе есть и кислород, а его оксид (IV) SiO важнейшее природное неорганическое соединение.

Кристаллический кремний построен из кристаллов того же типа, что и алмаз. Это вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском (плотность 2,33 г/см , Тпл= 1417 С, Ткип= =2600 С). Мелкокристаллический кремний имеет бурую окраску.

Химическая активность кремния невысока. При комнатной температуре он соединяется только со фтором, при нагревании с кислородом, галогенами, серой, при высокой температуресо многими металлами.

Чистый кремний стал одним из самых важных полупроводниковых материалов.

Из оксида кремния (IV)чистого пескавыплавляют кварцевое стекло для сложных оптических устройств, для изготовления лабораторной посуды и осветительных приборов.

Еще одним химическим элементом,с которым человек сталкивается каждый день, а точнее каждое утро, является фтор. При недостатке фтора в организме человека развивается кариес зубов. Поэтому многие зубные пасты содержат фтор.

Фтор (лат. Fluorum)химический элемент VII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 9, атомная масса 18,998; относится к семейству галогенов.

О существовании элемента, который впоследствии был назван фтором (от греческого "фторос" разрушение, гибель), догадывались многие химики конца XVIIIначала XIX в.,но получить его в чистом виде из-за его необычной активности долго не удавалось. В истории фтора немало трагических страниц: многие ученые, которые изучали соединения фтора, теряли здоровье и даже гибли, потому что фтор и его соединения чрезвычайно ядовиты.

Одно из самых интересных соединений фтора плавиковая кислота HF была получена в 1771 г. шведским химиком К.Шееле. Постепенно крепло убеждение, что в веществе, открытом Шееле, содержится новый элемент, похожий на хлор. Но прошло более ста лет, прежде чем химики выделили наконец этот элемент. Произошло это в 1886 г. Первооткрывателем свободного фтора стал французский химик А.Муассан. Чтобы получить фтор, Муассан подверг электролизу охлажденный до -23 С безводный фтороводород и собрал на аноде несколько пузырьков желтого газа. Электроды в приборе Муассана были сделаны из химически стойкого платиноиридиевого сплава, но и его разрушал агрессивный газ.

Муассан должен был подтвердить свое открытие, получив фтор в присутствии комиссии, присланной Парижской Академией наук. Он очистил фтороводород со всей тщательностью, установил новые электроды, включил ток и ничего не получил. Оказалось, что помешала опыту слишком тщательная очистка исходного вещества: электролиз происходил лишь в присутствии гидродифторида калия KHF .

Спустя 20 лет за это открытие Муассан был удостоен Нобелевской премии по химии. Электролиз и поныне остается единственным способом получения фтора.

Фтор распространен в природе довольно широко. Его содержание в земной коре 6,25 * 10 % от общей массы. Свободный фтор в природе фактически не встречается. Основной его минерал флюорит, или плавиковый шпат CaF ; фтор входит также в состав фосфоритов, фторапатита 3 Ca (PO ) *CaF ,криолита Na AlF .

Фтор элемент , расположенный в таблице Менделеева " на полюсе" неметаллических свойств. Это самый активный , самый реакционноспособный окислитель. Даже кислород окисляется фтором. Химическая активность фтора такова, что инертные газы ( криптон, ксенон, радон), долгое время считавшиеся не способными к какимлибо химическим реакциям, вступают в соединения с ним.

Чрезвычайная реакционная способность фтора объясняется особенностями строения его атома. Как и у других галогенов, на внешней оболочке атома фтора 7 электронов: для создания устойчивой электронной конфигурации октета не хватает лишь одного. И этот электрон атом фтора "отбирает" у любых веществ, даже у кислорода, других галогенов.У них, как и у фтора, по 7 электронов на последней оболочке, но расположена она дальше от ядра, и от того ядро слабее притягивает валентные электроны. Поэтому и иод, и бром, и даже хлор иногда могут проявлять положительную степень окисления, а фтор очень редко.

Фтор реагирует почти со всеми простыми веществами, кроме гелия, аргона, неона, азота и углерода (в виде алмаза). В результате многих реакций с участием фтора выделяется большое количество тепла, а некоторые из этих реакций имеют характер взрыва.

Многие фторосодержащие вещества очень важны для современной науки и техники. Например, фтороводород (плавиковая кислота его водный раствор) широко применяется в авиационной, химической, целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве стекла и некоторых металлов.

Плавиковый шпат СaF (флюорит)одна из важнейших солей плавиковой кислоты.Поскольку это достаточно распространенный минерал, его используют для получения HF и искусственного криолита двойного фторида натрия и алюминия 3NaF*AlF . Криолит незаменим в производстве алюминия.

Для атомной энергетики важны соединения фтора с другими галогенами:ClF , BrF, BrF .С помощью этих соединений получают гексафторид урана UF единственное летучее соединение урана (температура возгонки всего 56,5 С ). Изотопы урана разделяют, превратив урановые концентраты в летучий гексафторид.

Фтор вступает в реакции и с органическими веществами.

Правда, на практике для таких реакций обычно используют не сам фтор, а его неорганические соединения.Из органических фторосодержащих соединений наибольшее значение приобрели фреоны, получающиеся из углеводородов при замене в их молекулах водородных атомов на фтор и хлор. Фреоны работают в холодильниках, в установках для кондиционирования воздуха. В домашних холодильниках охлаждение обычно достигается испарением в замкнутом пространстве холодильного агрегата одного из таких соединений фреона-12 CF Cl .

Очень важно еще одно фторосодержащее органическое соединение тетрафторэтилен C F . При полимеризации этого вещества образуется отличающийся чрезвычайной химической стойкостью фторопласт-4, или тефлон, впервые полученный в 1938 г. Царская водка смесь концентрированных соляной и азотной кислот в пропорции 3:1 растворяет почти все металлы, в том числе золото и платину. А на фторпласт-4 она практически не действует. За необычайную химическую стойкость это белое легкое вещество иногда называют пластмассовой платиной.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Полимеры в медицине

II группа. Полимерные материалы, контактирующие с тканями организма, а также с веществами, которые в него вводятся: - тара для упаковки и хранения лекарственных средств, крови и плазмозаменителей; - полимеры, применяемые в стоматологии (кроме пломб); - хирургический инструментарий, шприцы; - узлы и детали для медицинских аппаратов и приборов, в том числе — полупроницаемые мембраны.

III группа. Полимерные материалы, не предназначенные для введения и не контактирующие с веществами, вводимыми в организм: - полимеры, применяемые в анатомии и гистологии; - предметы ухода за больными; - лабораторная посуда, штативы и т. п.; - оборудование операционных и больниц; - оправы и линзы для очков; - протезно-ортопедические изделия (в том числе - обувь); - больничные одежда, белье, постельные принадлежности.

Полимеры 1-й группы Полимеры 1-й группы предназначены для имплантации в организм на различные сроки. Сюда относятся протезы кровеносных сосудов, клапаны сердца, протезы пищевода, мочевого пузыря, уретры, хрусталика глаза, протезы для замещения дефектов скелета и мягких тканей, штифты, пластинки для фиксации костей при переломах, полимерные сетчатые каркасы для соединения кишок, сухожилий, трахей. К полимерам, применяемым для изготовления протезов внутренних органов, предъявляются жесткие требования. Главнейшие из них - длительное сохранение основных физико-механических свойств в условиях постоянного воздействия ферментативной системы живого организма; биологическая инертность, обусловливающая легкую адаптацию организма к имплантанту, проявляющуюся в его инкапсуляции. Наиболее успешно применяются полиакрилаты - полимеры на основе производных акриловой и метакриловой кислот для целей аллопластики.

У нас в стране с 1946 г полиметилакрилат применяется в клинике Центрального института и ортопедии при артропластике тазобедренного сустава и остеосинтезе, для замещения дефектов костей черепа. В 1952 г. М. В. Шеляховский при операциях грыж передней брюшной стенки применил перфорированные пластинки из фторопласта-4. В последующие годы для этих же целей, а также для пластики диафрагмы использовали капроновую сетку (поликонденсат аминокапроновой кислоты) Были получены также более совершенные сосудистые протезы из лавсана, синтезируемого методом поликонденсации терефталевой кислоты с этиленгликолем, и фторопласта- 3 и- 4

Силиконовый каучук Важнейшим представителем класса кремнийорганических полимеров является полидиметилсилоксан (силиконовый каучук). Одним из самых примечательных свойств силиконовых каучуков является их физиологическая инертность, они не имеют ни запаха, ни вкуса, обладают непревзойденными свойствами по проницаемости по отношению к кислороду и углекислому газу, что позволяет их использовать в качестве мембран для оксигенаторов. Интересным качеством вулканизаторов из силиконовых каучуков является их способность не прилипать к липким поверхностям. Они обладают удовлетворительной совместимостью с кровью, а при модификации поверхности не вызывают свертывания крови. Силиконовые резины на основе полидиметилсилоксана не вызывают тканевых реакций, поэтому их используют как материалы для имплантации.

Полиуретаны Полиуретаны — продукты синтеза полиизоцианатов с полиспиртами. В реакции участвует как минимум два полифункциональных мономера, один из которых имеет подвижный водород, а другой – группы, способные принять его Полиуретаны имеют в своем составе сильно полярные уретановые группы О_С_NH_. Их свойства в значительной мере определяются расстоянием между уретановыми группами в макромолекуле. Известно большое количество полимеров этого класса соединений с самыми разнообразными свойствами. Этим полиуретаны завоевали репутацию достаточно перспективных для применения в медицине. Они легче воды, устойчивы к действию щелочей и слабых кислот. Распространение получили пенополиуретаны — губчатые пластики. Выпускаются жесткие и эластичные пенопласты с разными по величине порами и различной механической прочностью. Они чрезвычайно легки, эластичны, структуростабильны, химически и физиологически инертны, хорошо впитывают влагу, применяются для пломбировки околопочечного пространства при урологических операциях.

Пломбировочные материалы на основе акриловых сополимеров. Быстротвердеющие пластмассы па основе акриловых сополимеров (сополимеры – полимеры, содержащие несколько типов мономерных звеньев и получаемые путем совместной полимеризации двух или большего числа мономеров) явились одними из первых сополимерных пломбировочных материалов. Начиная с 50-х годов у нас в стране и за рубежом были выпущены различные марки этих материалов: портекс, стеллон, норакрил. Возможность затвердения этих композиций при комнатной температуре обусловлена введением в их состав окислительно-восстановительных систем, состоящих из инициаторов и активаторов.

Читайте также: