Начало >> Статьи >> Архивы >> Полимеры медицинского назначения

Разработка медицинских полимеров и биоматериаловедение - Полимеры медицинского назначения

Оглавление
Полимеры медицинского назначения
Исследование в области полимерных материалов
Перспективный план разработки искусственных органов
О проблематике в области полимеров медицинского назначения
Искусственная кожа
Контактные линзы
Мембраны для искусственных легких
Искусственная почка
Мембраны для диализа крови
Возможности новых мембран для диализа крови
Искусственные почки других разновидностей и модификаций
Разделение и диффузия веществ, заключение
Полимеры, совместимые с живым организмом
Вредное действие полимеров на организм
Многозначность и многообразие понятия биосовместимости
Способы оценки биосовместимости
Естественный механизм свертывания крови и тромбообразования
Растворение фибрина и предотвращение свертывания крови
Способы оценки тромборезистентности
Получение антитромбогенных полимерных материалов
Гидрогели
Введение гепарина в полимерный материал
Фиксация системы растворения фибрина
Феномен поверхностей и гемосовместимость
Взаимодействие полимера с составляющими крови
Адгезия, когезия и элиминирование тромбоцитов
Заключение по полимерам, совместимым с живым организмом
Полимеры фармакологического назначения
Полимеризация лекарственных веществ
Полимеры вспомогательного фармакологического назначения
Полимерные покрытия
Использование полимеров в виде жидких субстанций, вводимых в организм
Система пролонгированного введения лекарств
Микрокапсулирование
Практические примеры микроинкапсулирования
Ликвация лекарственного вещества из микрокапсулы
Разработка медицинских полимеров и биоматериаловедение
Подход к биосовместимости полимера
Электрические явления на поверхности полимера - биосовместимость
Применение спектроскопических методов анализа - биоматериаловедение
Способ кругового дихроизма - биоматериаловедение
Микрокалориметрия - биоматериаловедение
Электрофорез - биоматериаловедение
Гистологическая и гистохимическая микроскопия
Использованиее ферментативных реакций и радиоактивных изотопов - биоматериаловедение
Заключение - биоматериаловедение

ГЛАВА 5
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛИМЕРОВ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ЖИВЫМ ОРГАНИЗМОМ. ВВЕДЕНИЕ В БИОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
САКУРАИ Ясухыса, АКАИКЭ Tocuxupo
Разработка медицинских полимеров и биоматериаловедение
Прогресс тонкой химической технологии, особенно бурный в последние годы, вызвал широкий размах научно-исследовательских работ не только в области технологических, в частности строительных полимеров, но и в сфере высокомолекулярных веществ, которые используются как функциональные материалы. Количество их непрерывно пополняется новыми полимерными веществами, используемыми в качестве хелатов, катализаторов, ионитов, фоточувствительных материалов, полупроводников, пленок с избирательной проницаемостью и многими другими функциональными полимерами.
В настоящее время из полимерных материалов выполняются многочисленные предметы медицинского назначения. Ассортимент их весьма широк: портативное оборудование ежедневного лечебно-процедурного использования (шприцы, разного рода трубки, емкости для транспортировки крови и для лекарств, пипетки, капельницы, марля, медицинские перчатки, перевязочные и другие лечебные материалы); клиническое оборудование и инструменты (газовые трубки и маски анестезиологического назначения, шовные материалы и несложный хирургический инструментарий); предметы санитарии и гигиены; медикаменты и материалы стоматологического назначения (пломбировочно-косметические материалы и средства для протезирования и хирургической стоматологии); оборудование для химико-медицинских анализов (мензурки, колбы, химические стаканы, пробирки,  краны, пипетки) [1], искусственные органы человеческого тела (почки, кровеносные сосуды, клапаны, аппарат сердце — легкие, водители ритма), [2, 3, 4]. Перечисление это далеко не полно, его можно было бы продолжить [5]. Весьма показателен в этом отношении рост выпуска в США предметов портативного медицинского оборудования в денежном выражении. Так, в 1958 г. общая стоимость товаров ежедневного лечебного использования в переводе на иены составляла в США 8            млрд. иен, в 1965 г. она повысилась до 22 млрд., в 1968 г.— до 74 млрд. иен, а в 1975 г. достигала уже 120 млрд. иен [6].
На первой стадии развития полимеров медицинского назначения их основная роль сводилась к тому, чтобы в качестве конструкционных пластиков заменить прежние технологические материалы.
Так, на смену тяжелым, хрупким, быстро бьющимся емкостям из стекла пришли легкие, эластичные, гигиеничные баллоны для крови, выполненные из поливинилхлорида, различные емкости для лекарств из полипропилена и полиэтилена, шприцы из полипропилена и полистирола и многие другие предметы широкой клинической практики. Таким образом, в большинстве своем медицинские полимеры использовались либо вместо известных материалов, прочно вошедших в практику, либо для некоторого улучшения их характеристик, т. е. функции полимеров не выходили из этой ограниченной области. Отличие следующего этапа развития медицинских материалов в том, что на повестку дня выдвинулся вопрос о получении гораздо более специфичных, так сказать, специализированных полимеров.
При поступлении больного в клинику сразу же встает вопрос о стратегии и тактике его лечения, и хотя та или иная доля риска при этом неизбежна, помощь ему начинают оказывать без промедления. Риск имеется всегда, и даже при операциях по поводу аппендицита случаи с летальным исходом составляют 0,3%. Если же производится более сложное хирургическое вмешательство типа резекции желудка, то степень риска возрастает настолько, что начинает определяться уже целыми процентами. Наконец, если нет другого выхода, кроме оперативного, то даже 50% риск не служит препятствием для операции. Вообще основным критерием любого лечебного процесса является его эффективность. Лишь оценив этот показатель, говорят
о   безопасности. Если методика лечения может обеспечить как результативность (не ниже определенного минимума), так и достаточную безопасность всего комплекса лечебных мероприятий, она находит признание и реализуется в клинической практике. Здесь данная схема лечения подвергается всевозможным доработкам и усовершенствованиям и поднимается на новую качественную ступень.
К полимерам медицинского назначения предъявляются два требования: безопасность и функциональность. Говоря конкретнее, вопрос ни в коем случае не сводится к тому, чтобы полимеры, уже апробированные практикой использования в других областях науки и техники, начали бы применяться в медицине. Проблема состоит в разработке принципиально новых высокомолекулярных материалов, предназначенных специально для медицинских целей; иначе говоря, встает вопрос о совершенно новом направлении — о дезайнировании медицинских полимеров. Для создания таких материалов необходимо изучить и истолковать взаимодействие синтетических высокомолекулярных веществ с биологической средой, т. е. с живым организмом не только эмпирически, но и с научно-теоретических позиций; проектировать же полимеры следует на молекулярном уровне. Начальной стадией такого проектирования является определение молекулярной совместимости тех или иных полимерных материалов с биологической субстанцией, т. е. анализ того, насколько гладко протекает «взаимное привыкание» этих сред на границе их фазового разделения. Такая проблематика перерастает в совершенно новую научную сферу, занимающую промежуточное положение между медициной и техникой (технологией), т. е. расположенную как раз на стыке этих дисциплин. Авторы называют эту новую научную область биоматериаловедением.
Живой организм состоит из широчайшей гаммы различных клеток, образуемых биомолекулами разной природы, всевозможных типов, форм и разновидностей. Клетки соединяются, агрегируются и образуют ткань, которая также весьма неодинакова, гетерогенна и подразделяется на множество видов и типов, в частности, эпителий, интима, эндотелий, костная, суставная, нервная, соединительная и прочие разновидности ткани. Многообразные агрегации тканевых участков и областей в свою очередь соединяются в более крупные и завершенные образования, называемые органами тела; к ним относятся, в частности, кожный покров, желудок, сердце, легкие, печень, почки. Иначе говоря, каждый орган тела представляет собой функциональный, точнее, монофункциональный, механизм постоянной морфологии, выполняющий свое собственное назначение. В свою очередь такие механизмы связываются, сращиваются и объединяются в завершенные функциональные системы, выполняющие целые комплексы операций, например, опорно-двигательного аппарата, нервная, выделительная, половая, кровеносная, дыхательная, пищеварительная системы. Наконец, все системы объединяются в общий комплекс и образуют сложнейшее полифункциональное целое — единый живой организм.
Организм резко отрицательно реагирует на контакт с инородным телом, и если последнее введено внутрь организма, он стремится выделить, отторгнуть его.
Независимо от того, какова природа этого инородного тела, т. е. является ли оно биологической субстанцией, предназначенной для реплантирования, металлом или синтетическим веществом, в любом случае добиться благоприятного взаимодействия и приемлемого сосуществования обеих сред, т. е. того, что называют биосовместимостью, является задачей в высшей степени непростой.
Итак, любой материал медицинского назначения должен обладать хорошей биологической совместимостью. Скорее всего, понятие биосовместимости следует охарактеризовать как привычку или сродство; именно такой смысл вкладывают обычно в этот термин. Биологическая совместимость — понятие обширное, емкое. Вещества, обладающие этим свойством, образуют весьма широкую гамму. В нее входят материалы для наложения хирургических швов, которые по истечении определенного срока должны резорбироваться и усвоиться организмом (как правило, ферментативно). С другой стороны, сюда же относятся материалы, предназначенные для возможно более длительного функционирования в организме без каких бы то ни было изменений биодеградационного характера (они используются, например, для создания искусственных сердечных клапанов).
К биосовместимым относятся и такие материалы, которые способствуют быстрейшему свертыванию крови, и такие, которые, наоборот, антитромбогенны, т. е. полимеры диаметрально противоположного назначения. Таким образом, требования, предъявляемые к материалам медицинского назначения, исключительно разнообразны и многогранны, а потому четко истолковать понятие биосовместимости и дать однозначную, но вместе с тем исчерпывающую его характеристику — задача в высшей степени затруднительная. Необходимо рассматривать конкретное содержание, вкладываемое в понятие совместимости, применительно к целевому назначению каждого отдельного полимера.
Исходя из такой посылки, можно представить общую картину биологической совместимости медицинских материалов следующим образом [8] (схема 6):

Схема 6
Когда в организм вводят (имплантируют) инородное по отношению к нему вещество, он сразу же начинает резко реагировать против этого вещества, причем направленность и механизм реакций самые разнообразные и многоплановые. Биологические, реакции такого рода можно резюмировать в виде картины, показанной на     рис. 60.

Схема реакции организма на имплантированный в него материал
Рис. 60. Схема реакции организма на имплантированный в него материал медицинского назначения.
А. Химические факторы: основные составляющие (полимеры); вещества, переходящие в раствор (добавки, присадки, пластификаторы, ионы); продукты разложения, денатурации, деградационных изменений; примеси (например, бактерицидные присадки). Б. Механические факторы: конфигурации, размеры, характеристики поверхности, кинетические факторы. В. Факторы температурно-электрического характера. Г. Биологические факторы: действие организма и микроорганизмов. Д. Физическая характеристика: размеры, конфигурация, прочностные характеристики, упругость и эластичность, усталостные свойства, крип, прозрачность, теплопроводность, электропроводность, чувствительность к лучистой энергии, температура плавления и размягчения, удельная масса, твердость, влагостойкость, стойкость к истиранию, газопроницаемость и другие свойства. Химическая характеристика: водопоглощение, растворимость, абсорбционная способность, адсорбционная способность, уровень pH, химическая стойкость, стойкость к действию окислителей и ферментов, стойкость к УФ облучению, устойчивость к биодеградационным изменениям и другие свойства. Биологическая характеристика: токсичность, склонность вызывать воспалительные процессы, пищеварительная усвояемость, антигенность, склонность вызывать коагуляцию крови или гемолиз, канцерогенность и другие свойства. Е. Национальность (раса), сложение и габитус, упитанность, иммунные свойства, подвижность, условия циркуляции крови, расположение участка имплантации, возраст, пол.
1 — быстрая реакция всего организма: аллергия, острое отравление, внесение инфекции, высокая температура, нервно-паралитическое действие, затрудненное кровообращение; 2 — замедленная реакция всего организма: реакция антигенов и антител, неострое отравление, затрудненное функционирование внутренних органов, тератогенные аномальные явления и деформационные рефлексы; 3 — быстрая реакция на участке имплантации: острое воспаление, распад и омертвение ткани, активное вторжение и экскремирование инородного тела, тромбообразование; 4 — замедленная локальная реакция: хроническое воспаление, образование и рост гранулемы, рост соединительной ткани, осаждение известковых отложений, сращение, изъязвление, образование злокачественной опухоли, разрастание тромбов.
Первое и главнейшее условие, которому должны отвечать полимеры медицинского назначения, состоит в том, чтобы организму не был причинен какой-либо вред. Следовательно, необходимо располагать исчерпывающей информацией о том, какие факторы со стороны полимера являются вредоносными по отношению к организму. Известно, что сравнительно недавно полимеры выполняли в медицине только чисто механические функции, т. е. использовались в качестве конструкционных материалов, а потому предпочтительными были наиболее инертные из них, по возможности не вступающие в реакцию с организмом. К ним относились полимеры типа ненаполненного силиконового каучука и политетрафторэтилена. Когда вещество такого рода имплантируют в ткань живого организма, последний генерирует на этом участке тонкую волокнистую пленку-оболочку, которая окутывает инородное тело, т. е. инкапсулирует его. Таким образом, происходит акцептирование полимера живым организмом. В свою очередь имплантат тоже претерпевает разного рода изменения под действием организма. Биофизиологические факторы, вызывающие биодеградационные изменения полимера, можно представить в виде схемы, показанной на рис. 61.
Биодеградационные изменения медицинского материала в живом организме
Рис. 61. Биодеградационные изменения медицинского материала в живом организме.
1 — трение; 2 — ударная нагрузка; 3 — многократный изгиб; 4 — переход в раствор (низкомолекулярные вещества, пластификаторы, продукты разложения); 5 — адсорбция (жиры, белки, вода); 6 — известковые отложения; 7 — разложение основной макромолекулярной цепи; 8 — разложение боковых цепей; 9 — сшивание основных цепей; 10 — сшивание боковых цепей; 11 — цепное разложение; 12 — нецепное разложение; 13 — статистическое разложение; 14 — ограниченное разложение; 15 — природа химических связей (первичная структура); 16 — влияние смежных групп и атомов (эффект заместителей); 17 — конформационные преобразования; 18 — кристалличность, ориентированность, степень сшивания; 19 — структура поверхности; 20 — конфигурация; 21 — отношение к внешней среде (гидрофобность, гидрофильность).
Основополагающая задача биоматериаловедения состоит в том, чтобы на молекулярном уровне исследовать и четко выяснить три вопроса: какие полимеры, под действием каких факторов, каким образом изменяются. Говоря о функциональности как таковой, применительно к медицинским полимерам, прежде всего необходимо выяснить, в чем собственно заключается это свойство. Перечисляя конкретные функции и возможности искусственных материалов в произвольной последовательности, можно, пожалуй, суммировать их следующим образом.
Опорно-механические функции (искусственные кости и суставы).
Биоклеевые функции (хирургические клеи, в частности, клеи для кровеносных сосудов).
Кровоостанавливающие функции (кровоостанавливающие вещества).
Функционирование в качестве покрытий на раневых поверхностях (искусственная кожа).
Способность к резорбции и усвоению организмом (всасываемые материалы для хирургических швов и кровоостанавливающие вещества).
Эластичность (искусственная суставная ткань, искусственное сердце).
Способность к кислородному обмену (искусственные легкие, искусственные эритроциты).
Функции заменителя плазмы (материалы для транспортировки жидких лекарственных веществ; вещества, заменяющие транспортируемую кровь).
Медикаментозные функции (антивирусность, канцероподавление, антибиотическая активность).
Способность к адсорбции токсичных веществ (искусственные почка, печень).
Функция медленного освобождения лекарственного вещества (носители лекарств, искусственные секреторные железы).
Сенсорные функции (датчики и переприемники медицинского использования).
Функции передачи нервного возбуждения (искусственные нервы; системы, передающие сердечные импульсы).
Совместимость с биологической тканью (контактные линзы, катетеры для мочевых путей).
Биосовместимость с кровью (антитромбогенные материалы для вспомогательных сердечных насосов, катетеров для кровеносных сосудов, для изготовления искусственных кровеносных сосудов и клапанов).
На практике весьма редки случаи, когда от того или иного полимера требуется, чтобы он выполнял только одну, строго лимитированную функцию, т. е. был материалом монофункционального назначения. Как правило, медицинские полимеры работают одновременно в нескольких направлениях и представляют собой полифункциональные материалы. Очевидно, что реализация функциональных возможностей медицинских полимеров немыслима без их теснейшего взаимодействия с живым организмом, и здесь возникает совершенно исключительная по сложности проблема, не имеющая прецедентов среди всех вопросов прежних лет. Это — проблема совместимости, или «взаимного привыкания», между искусственной и естественной субстанциями.
Ядром проблемы биосовместимости является необходимость непрерывного сохранения и стабильного поддержания этого свойства на устойчивом высоком уровне.
Вообще в наши дни о биоматериаловедении как о новой сфере науки можно говорить лишь в свете общих положений и подходов. Фундаментальные исследования в этом направлении только еще смутно просматриваются и находятся в перспективе. Ни количество отработанных методов, способное перерасти в универсальную целостную методологию, ни объем открытых и доказанных закономерностей, перешедших на уровень общеизвестных истин, не могут считаться сколько-нибудь удовлетворительными. Скорее следовало бы говорить об иной картине — о том, что биоматериаловедение только зарождается, и лишь сегодня начинается его поступательное движение.
Вместе с тем именно биоматериаловедение должно явиться тем архимедовым рычагом, который позволит в конце концов создать идеальные синтетические материалы медицинского назначения. И не только это. Биоматериаловедение можно с полным основанием назвать такой наукой, которая досконально разбирает и вскрывает глубочайшие закономерности взаимодействия между биологической, т. е. живой материей и абиотической, неживой субстанцией, а потому является тем фокусом, где концентрируются наиболее актуальные вопросы и основополагающие интересы всего современного естествознания.



 
« Пограничная интеллектуальная недостаточность   Полиурия и полидипсия »