Полимеры в медицине кратко

Обновлено: 04.07.2024

Можно выделить две большие группы полимерных материалов: синтетические и природные. Синтетические полимеры получают методом химических реакций. Существует два основных механизма получения полимеров — это реакция поликонденсации и реакция полиприсоединения. Природные синтезируются самостоятельно методом биосинтеза в клетках живых организмов и потом методами экстракции, фракционного осаждения или другими выделяются из растительного или животного сырья.

Началом использования полимеров в медицине можно считать конец XVIII века, когда в хирургии был впервые применен каучук как биомедицинский материал. Спустя сто лет впервые используется целлулоид для закрытия костных дефектов при хирургических операциях на черепных коробках. Потом совместными усилиями стоматологов, хирургов, химиков и биологов создается широкий спектр полимерных материалов на основе акриловых смол, которые нашли свое широкое применение в изготовлении протезных изделий: зубных, глазных и челюстно-лицевых.

Сегодня в медицине более 3000 наименований медицинских изделий, включающих в свой состав биополимеры. Остановимся на самых известных. Например, полипропилен — это синтетический полимер, который мы часто встречаем в быту. В медицине он широко применяется для сердечно-сосудистой хирургии, в первую очередь для клапанов сердца, сосудов, а также в качестве шовного материала и нитей. Второй полимер — это поливинилхлорид, использующийся в травматологии, хирургии, гинекологии. Его применяют в дефектах, требующих высокой износостойкости и низкой скорости резорбции, то есть способности к растворению в среде организма. Сейчас медицина и медицинские технологии направлены на то, чтобы не просто замещать дефект костных тканей, а восстанавливать дефект и функции организма, поэтому используются рассасывающиеся материалы, то есть материалы, которые в среде организма постепенно растворяются, позволяя прорастать натуральной костной или иной ткани человека.

Рассасывающиеся материалы используются в тканевой инженерии. На слуху у нас металлические конструкции, материалы на основе титана и его сплавов, а также керамические материалы — это фосфаты кальция, циркониевая керамика. У всех подобных материалов существует ряд недостатков. В частности, можно выделить чрезмерную жесткость или хрупкость. Полимерные материалы, безусловно, занимают свою нишу в этой области и позволяют нивелировать некоторые негативные аспекты применения металлических материалов. В чистом виде полимеры мало используются для замещения дефектов костных тканей. Но несколько лет назад был создан имплантат губчатой костной ткани на основе полиэтилена, который прошел предклинические испытания и сейчас достаточно успешно, судя по публикациям, проходит клинические испытания. Однако данный подход учеными не очень сильно востребован, поскольку основное направление — это воссоздание естественной костной ткани.

Как известно, костная ткань представляет собой органическую и неорганическую составляющую. Поэтому перспективны для замещения дефектов костной ткани композиционные материалы на основе полимерной составляющей — она может быть как синтетического, так и природного происхождения — и неорганической составляющей. Чаще всего для этих целей используют керамические наполнители — в частности, фосфаты кальция, трикальцийфосфат, гидроксиапатит, октокальциевый фосфат, поскольку по своему фазовому составу они близки к неорганическому составу естественной костной ткани человека.

При этом композиционные материалы используются не только для создания скаффолдов на основе полимера и керамического наполнителя. Одним из активных применений этих материалов являются гидрогели. Их можно использовать для непосредственного заполнения дефектов без операционного вмешательства и полостной операции. То есть это гидрогель, который закачивается в шприц и вводится через иглу в костный дефект под контролем УЗИ. Соответственно, хирург не проводит полостную операцию. Нагрузка на пациента гораздо меньше, и восстановление происходит существенно быстрее. При этом материал, попадая в организм, твердеет под воздействием химических реакций.

Второе направление гидрогелей — чернила для трехмерной печати. В современном мире быстро развиваются аддитивные технологии, в частности трехмерная печать и электроспиннинг. Одним из оптимальных и подходящих для печати материалов являются гидрогели. В материаловедении, особенно в биомедицине, чаще печатают композиционными гидрогелями с дополнительными наполнителями. Трехмерная печать позволяет создать трехмерную конструкцию, полностью совпадающую с дефектами пациента, то есть персонализированную по компьютерной томографии. В костной ткани существует множество материалов, которые могут составить конкуренцию полимерам либо полностью вытеснить их из этой ниши. Но существуют области медицины, в которых биополимеры сейчас не имеют никакой альтернативы.

Одним из таких направлений можно считать создание искусственного кожного покрова человека, то есть тканевых эквивалентов кожных покровов. Для этих целей сейчас используют консервативные методы при лечении ожогов и ран. Увеличивается количество больных с поздними осложнениями сахарного диабета, которые требуют трансплантации кожных покровов. Главным методом для замещения и восстановления кожных покровов сейчас является аутотрансплантация, то есть взятие кожи от самого пациента. Этот метод используется во всех странах и фактически не имеет никакой альтернативы, но он неперспективен для дальнейшего использования, поскольку практически нет возможности изъять ткани у самого пациента. Соответственно, закрытие обширных кожных дефектов не представляется возможным. Дополнительно стоит отметить, что в случае изъятия ткани у самого пациента возникает дефицит плазмы, электролитов, возможное возникновение инфекции, суперинфекции, что приводит к негативным последствиям и затягивает выздоровление пациента.

Также широко используются донорские ткани от рыб. Рыбья кожа — в частности, используется кожа тилапии — содержит в себе коллаген первого и второго типа, который присутствует в коже человека и хорошо биосовместим. Но использование этого метода не дает стопроцентного выздоровления пациента, поскольку происходит длительное и болезненное рубцевание. Помимо этого, специфическое обеззараживание этих материалов приводит к большому проценту развития инфекций и суперинфекций.

Клеточные технологии, к сожалению, не имеют достаточной законодательной базы для своего развития, а также еще слишком дороги и не могут быть использованы на большом проценте пациентов. Поэтому альтернативы, кроме как создания матриксов, скаффолдов, тканевых эквивалентов для замещения кожных покровов на основе полимеров, на данном этапе развития науки не существует. Для создания тканевых эквивалентов чаще всего используют природные биополимеры, поскольку их биосовместимые свойства гораздо выше, чем у синтетических. Научными коллективами мира широко используются и применяются материалы на основе коллагена, поскольку это наш дермальный белок, который содержится в коже человека. Он обладает максимально высокой совместимостью с нашей дермой и позволяет ускорить регенеративный потенциал. Однако его применение связано с рядом значительных осложнений, которые вызывают опасения у научных коллективов, поскольку коллаген может вызывать отторжение, а также являться переносчиком генетических заболеваний.

В последние годы основной тенденцией в создании тканевых эквивалентов кожных покровов стали материалы на основе растительных биополимеров. Среди них можно выделить материалы последних разработок — это материалы на основе альгината натрия, которые успешно проходят предклинику, клинические испытания и даже выходят на современный рынок биоматериалов. Также всем известные, встречающиеся на кухне полимеры для десерта — желатин, пектин, которые тоже обладают высокой биосовместимостью и активно используются биотехнологами для создания эквивалентов кожных покровов.

Ученые сейчас нацелены не на создание скаффолда или матрикса, который просто восстанавливает ткани, органы человека и позволяет им регенерировать. Основное направление — создание биоинженерных функционализированных конструкций. В ближайшей перспективе мы сможем получать материалы на основе природных биополимеров, которые будут не просто восстанавливать кожный покров, а смогут нести в себе адресную лекарственную доставку, то есть содержать в себе лекарственные препараты, которые будут предотвращать развитие инфекций, суперинфекций и облегчать состояние больного. Также возможна функционализация подобных материалов факторами роста либо генными конструкциями, которые могут увеличивать или замедлять при необходимости регенерационный потенциал данного материала.

Увеличение материально-технической базы наших институтов и клиник, новые технологические решения, в частности аддитивные технологии, позволяют предположить, что уже в ближайшее время будет найдено решение, которое позволит усовершенствовать существующую консервативную медицину и применить современные методы лечения пациентов с разными дефектами, в том числе костной ткани и кожных покровов.

Автор: Анастасия Тетерина, к.т.н., научный сотрудник Института металлургии и материаловеления им. А. А. Байкова РАН

Производство медицинских изделий практически не обходится без использования полимерных материалов. Перед химиками стоит не простая задача. Во-первых, материалы должны быть инертными, гипоаллергенными и экологически безопасными. Во-вторых, полимеры должны обладать требуемой механической прочностью и эластичностью. Для решения поставленных задач приходится объединять усилия химиков и медиков при разработке новых материалов.

Отдельные виды пластиков могут применяется в медицине для производства изделий, которые не имеют непосредственного контакта с организмом человека, например, для производства корпусов медицинских приборов, внутренних и внешних частей медицинской техники, а также лабораторного оборудования.

К таким материалам обычно предъявляются менее жесткие требования по сравнению с полимерами, которые контактируют с телом человека или используются в косметологии или пищевой промышленности.

Медицинская техника и полимеры

Применение полимеров в медицинской промышленности дало возможность найти эффективную замену стеклу и металлу. Среди основных преимуществ следует выделить, значительно меньший вес, экономичность, повышенную стойкость к действию различных химических сред, а также возможность изготовления инструментов одноразового использования.

Требования к полимерам для производства деталей и элементов медицинской техники:

Комплекс физико-механических характеристик, зависящих от конкретного применения и конструкции детали;
Высокая химическая стойкость к жидким средам;
Минимальное содержание легко летучих компонентов, т.е. полное отсутствие запаха;
Возможность радиационной и тепловой стерилизации (в т.ч. в автоклаве);
Отсутствие влияния на состав жидких медицинских препаратов, находящихся в непосредственном контакте с полимерными материалами.

Для производства внешних и внутренних деталей медицинской техники широко используются инженерные пластики общего и специального назначения такие как: ABS пластик, поликарбонат PC, PC/ABS, полибутилентерефталат PBT, полиамид PA, полиметилметакрилат PMMA. Также ABS пластик широко используется для производства оборудования для дезинфекции воздуха, контейнеров для химической дезинфекции, а также корпусов большинства медицинских приборов.

Подробнее о характеристиках инженерных пластиков Вы можете прочитать на нашем сайте .

Однако существует и другая обширная группа материалов, которые применяются для изготовления изделий, которые непосредственно контактируют с телом человека. По этой причине материалы, применяемые в этой сфере, должны характеризоваться максимальной степенью чистоты и инертности.

Медицинская одежда и защитные экраны

Для производства одежды и обуви для медицинского персонала также применяются полимерные материалы. Большинство нетканых материалов производится из специального марок полипропилена с высокой текучестью по технологии мельтблаун и спанбонд. Все чаще применяются многослойные материалы, объединяющие преимущества обеих технологий.

Медицинскую обувь отливают на стандартных моделях ТПА из вспененных композиций на основе этиленвинилацетата EVA и полиолефинового эластомера POE. К преимуществам обуви на основе полиолефинов следует отнести малый вес изделий, влагостойкость и экологичность. Добавление POE в обувные компаунды (процентное содержание зависит от требований к конечному продукту) позволяет существенно повысить устойчивость к внешним воздействиям, эластичность и мягкость обуви.

Полимерные материалы нашли свое применение в производстве защитных очков и экранов, применяемых в медицине. Для изготовления высокопрозрачных изделий в основном используются полиметилметакрилат (ПММА) и поликарбонат (ПК) . В зависимости от технологии производства могут применяться как литьевые, так и экструзионные марки.

Элементы крепления защитных экранов могут быть изготовлены из эластомеров на основе стирола TPEs или полиолефинов TPO. При выборе марки следует обращать внимание на твердость по Шору. Подробнее о марках высокопрозрачных пластиков читайте на сайте.

Компания ЮСИДЖИ готова предоставить техническую поддержку на этапе внедрения полимерных материалов медицинского применения в производство.

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;

Полимеры являются высокомолекулярными соединениями (ВМС), чья молекулярная масса варьируется в пределах от нескольких тысяч до нескольких миллионов, атомы которых образуют разветвленные или линейные цепи, а также пространственные трехмерные структуры.

Полимерами являются многие природные соединения: нуклеиновые кислоты, белки, крахмал, целлюлоза, каучук и другие вещества органического происхождения.

По особенностям строения основной цепи полимеры подразделяются на три группы:

Линейные. У линейных полимеров может быть как кристаллическая, так и аморфная (стеклообразная) структура.
Разветвленные. Полимеры этой группы чаще являются аморфными. Если их нагреть, они переходят в высокоэластическое состояние (подобно резине, каучуку и другим эластомерам). Если воздействовать на разветвленные элементоорганические и органические полимеры особо высокими температурами, окислителями, кислотами и щелочами, они постепенно разлагаются с образованием газообразных, жидких и твердых (коксов) соединений.
Пространственные (трехмерные) структуры. Полимеры этой группы также, как правило, являются аморфными. Если трехмерные структуры подобно резине имеют сравнительно редкую сетку, при растяжении они могут лишь временно деформироваться, возвращаясь затем в исходное состояние. Если же трехмерные структуры имеют густую пространственную сетку, в зависимости от других особенностей строения они могут быть хрупкими или упругими.

Использование полимерных материалов в медицине

Полимеры уже давно стали привлекать внимание многочисленных ученых и исследователей из области медицины.

Начало применению полимерных материалов в области медицины положил А. Шумлянский, когда в 1788 году он впервые использовал каучук во время операции.

В 1895 году для закрытия костных дефектов после оперативного вмешательства на черепе был использован целлулоид.

В 1939 году несколько химиков и стоматологов (И. Езриелева, Г. Петрова, И. Ревзина и др.) совместными усилиями создали полимер АКР-7, из которого изготавливали челюстные и зубные протезы.

Позже из акриловых смол были получены пластмассы, пригодные для восстановительных операций в челюстно-лицевой области и изготовления глазных протезов.

За последние десятки лет медицинская наука шагнула далеко вперед, в настоящее время в медицинских целях используются самые различные технологии и материалы, в том числе и полимеры, которые на сегодняшний день практически повсеместно применяются для совершенно различных целей. Подтверждением тому является факт, что из полимеров в настоящее время изготавливают более трех тысяч видов медицинских изделий.

Готовые работы на аналогичную тему

Примеры применения полимеров в медицинской сфере:

Производство изделий, не контактирующих напрямую с организмом человека. Примером таких изделий являются корпусы медицинских приборов. К таким полимерам обычно предъявляются менее жесткие требования, чем к материалам, непосредственно контактирующим с тканями организма или используемым в пищевой промышленности.

искусственные суставы, клапаны сердца, сосуды, камеры искусственного сердца и другие изделия, имитирующие органы и ткани человеческого тела;
хирургические нити (изготавливаются из полиамидов);
силиконы используются при косметических операциях на молочных железах, лице, для изготовления катетеров, пленок, защищающих поверхность кожи при ожогах. Преимуществами силиконов являются физиологическая и химическая инертность и термостабильность - до 180°C;
протезы в ортопедической стоматологии;
аппаратура, использующаяся для искусственного кровообращения при обширных операциях на сердце.

Перспективы применения полимеров в медицине

Однако несмотря на стремительные темпы внедрения полимеров в медицину, до сих пор остается нерешенным ряд довольно острых вопросов.

Примером может служить проблема биосовместимости полимерных компонентов и тканей человеческого организма.

Так, при замещении тканей и органов организма изделиями, изготовленными из полимерных материалов, нередки случаи отторжения этих изделий. Это является свидетельством отсутствия полной биологической совместимости тканей организма и полимеров, что значительно затрудняет использование последних в этих целях.

В связи с этим можно предположить, что в ближайшем будущем усилия многих исследователей и ученых будут направлены на разработку новых полимеров, обладающих гораздо большей биосовместимостью с тканями человека по сравнению с полимерными материалами, существующими на сегодняшний день.

Другим перспективным направлением в работе с полимерами является разработка другой их группы - биологически активных полимеров, которые представляют собой биоразлагамые материалы с регулируемым сроком службы.

Из таких полимеров могут изготавливаться инновационные шовные материалы, которые можно будет использовать при полостных операциях, или временные имплантаты. В организме они будут постепенно разлагаться, но срок их эксплуатации будет достаточным для того, чтобы за этот срок ткани организма успели полностью восстановить свои функции.

Принципиальным преимуществом использования таких материалов станет отсутствие необходимости проведения пациенту повторной операции с целью извлечения из организма временных имплантатов или снятия швов, как это пока происходит на сегодняшний день.

Читайте также: