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

Мембраны для искусственных легких - 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

Функции легких, как известно, не ограничиваются сферой газообмена, т. е. передачей кислорода из воздуха в кровь и выделением углекислоты. С деятельностью легких связаны также процесс обмена веществ и механизм иммунитета, но только одну из этих функций — газообмен — можно «передоверить» искусственным легким.
Своим появлением искусственные легкие обязаны хирургии органов грудной полости, когда при оперативном вмешательстве необходимо перекрыть ток крови, прекратить ее доступ в легкие и вместо них осуществлять газообмен крови. Достаточно давно созданы и нашли широкое клиническое применение аппараты «искусственные легкие» воздушно-пузырькового, ротационного (с круглыми пластинами), решетчатого и многих других типов. Важнейшим моментом является здесь невозможность длительной эксплуатации аппарата, связанная с тем, что продолжительный контакт крови с воздухом приводит к резко отрицательным явлениям типа гемолиза и денатурирования белков плазмы крови. Для предотвращения их были разработаны искусственные легкие мембранного типа, сконструированные таким образом, что кровь вступает в контакт с воздухом через посредство мембраны. В искусственной почке, описываемой ниже, кровь очищается от отходов метаболизма посредством диализа при скорости тока крови от 200 до 400 мл/мин, причем удаление происходит периодически. В искусственных легких ток крови не может быть прекращен даже на несколько минут из-за непрерывного усвоения кислорода и выделения углекислоты.
Потребность в кислороде составляет, как известно, 250 мл/мин, и ток крови, обеспечивающий такое насыщение, должен достигать скорости 3—5 л/мин. Понятно, что для этой цели необходимо использовать такие мембраны, которые, помимо полной совместимости с кровью, были бы проницаемы для кислорода и углекислоты. Очевидно также, что они должны быть химически устойчивыми, не включать растворимых примесей, не оказывать отрицательного влияния на эритроциты, не вызывать тромбоза и денатурации белка плазмы крови. Кроме того, наряду с хорошей технологичностью пленка должна обладать такой динамической механической прочностью, которая позволила бы выдерживать без повреждений давление крови до 1 кг/см2. Наконец, мембрана должна быть стойкой к действию агрессивных сред и высокой температуры во время дезинфекции, например, при бактерицидной обработке окисью этилена или водяным паром.

Рис. 4. Схема газообмена в естественных легких.
Схема газообмена в естественных легких
1 — стенка альвеолы; 2 — промежуточная жидкость; 3 — стенка капиллярной трубки; 4 — плазма крови; 5 — оболочка эритроцита; 6 — эритроцит; 7 — кровеносный капилляр легкого; 8 — альвеола.
В те времена, когда взаимодействие крови с кислородом осуществлялось непосредственным контактированием, аппарат «искусственные легкие» можно было использовать только в ходе хирургических операций. Теперь же, с разработкой контакта через пленку, искусственные легкие мембранного типа могут быть применены для газообмена в случае временного снижения легочной активности, как, например, при пневмонии, для восстановления функциональности и во многих других направлениях. Известно о многочисленных случаях использования их при реанимации. Сообщалось, что к настоящему времени создан мембранный аппарат «искусственные легкие», способный непрерывно функционировать в течение 2 нед.
Целесообразно, по-видимому, коснуться здесь некоторых анатомических сведений, имеющих отношение ко всей проблеме. Насыщение крови кислородом и выделение из нее углекислоты осуществляются в альвеолах, число которых достигает 300 млн. Кислород поступает в альвеолы по трахее, бронхам, бронхиолам и альвеолярным трубкам, затем диффундирует через стенки альвеол в капилляры, где связывается с гемоглобином, после чего разгоняется по всем органам и тканям. Газообмен происходит в оболочках альвеол; толщина их может в некоторых местах не превышать порядка 0,1 мкм. Поверхность оболочек покрыта фосфолипидами с белковыми вкраплениями; основным компонентом фосфолипидов является лецитин (фосфатизилколин). Между оболочками альвеол проходят капилляры (рис. 4 и табл. 7).

Таблица 7. Сравнение искусственных легких с естественными легкими человека

 

Естественные
легкие

Искусственные
легкие

Общая поверхность альвеол, м2

50—200

0,35—5,3

Производительность по кислороду

15 л/мин

80 мл О2/мин-м2

Поток крови

4—5 л/мин

2 л/мин

Объем крови в легких

До 1 л

До 1,5 л

В качестве материала для искусственных легких наиболее предпочтительны силиконы, которые по пропусканию кислорода и углекислого газа превосходят все синтетические полимеры, полученные к настоящему времени (табл. 8). К отрицательным свойствам силиконов относится явно недостаточная прочность на разрыв; широкие исследования, направленные на преодоление этого момента, продолжаются. К числу новейших достижений относятся создание и испытания высокопористых мембран из полипропилена и тефлона. Основная трудность здесь состоит в том, что недостаточную механическую прочность пленок удается преодолеть только за счет увеличения их толщины, а эта мера в конечном счете ведет к резкому снижению газопроницаемости, которое в свою очередь вызывает необходимость увеличения эффективной площади мембраны.

Таблица 8. Проницаемость полимерных пленок по отношению к кислороду и углекислому газу (см3/м2-атом*сут)


Полимер

Диффузия
кислорода

Диффузия углекислого газа

Отношение

Поливинилхлорид

16

13

0,8

Полиэтилентерефталат

176

304

1,7

Ацетат целлюлозы

1 705

8 680

5,1

 

3 500

15 965

4,5

Полиэтилен

3 200

5 390

2,4

 

8 800

27 000

3,0

Полипропилен

2 900

9 905

3,4

Полистирол

4 850

23 790

4,9

Политетрафторэтилен

17 600

48 000

2,7

Этилцеллюлоза

25 600

104 000

4,0

Ненаполненный силиконовый каучук

1 568 000

8 040 000

5,0

Примечание. Толщина пленок образцов пересчитана на 25 мкм.

Таблица 9. Характеристики некоторых полимерных пленок, используемых в искусственных легких


Полимер

Структура пленки

Толщина,
мкм

Г азопроницаемость, мл/(мин-м2-атом)

 

 

 

о2

со2

Силиконовый каучук

С полиэфирным наполнителем

190(160)

140

770

Полисилоксанполи-
карбонат
(МЕМ-213)

Гомогенная

50(50)

170

730

Сверхтонкий полиалкилсульфон

Нанесен на губчатую полипропиленовую

25(2,5)

1 100

4 600

Сверхтонкая пленка этилцеллюлозы с перфторбутилатом

 

Нанесена на полиолефиновое нетканое полотно

175(2,5)

880

4 700

Пористая полипропиленовая пленка (Celgard)

Пористая

25(25)

Вполне
хорошее

Вполне
хорошее

Пористая тефлоновая пленка

Пористая

500(500)

Вполне
хорошая

Вполне
хорошая

Примечание. В скобках показана толщина мембранной части (мкм).
Если ухудшается проницаемость мембраны для искусственной почки, существуют два стратегических пути преодоления этого момента: либо удлинить срок диализа, либо увеличить площадь активной поверхности мембраны. Если же это относится к пленкам для искусственных легких, то возможны полимеры только в одном направлении, а именно по пути,увеличения площади мембраны. Таким образом, разработки, направленные на повышение газопроницаемости пленок, приобретают главенствующую роль и должны быть всемерно ускорены.
В процессе газообмена, протекающего в пленочных субстанциях живого организма, движение эритроцитов по капиллярам в. оболочках альвеол происходит в один ряд, тогда как в искусственных легких эритроциты образуют при движении целые слои, а это ведет к резкому снижению эффективности всего газообменного процесса. Фактором, лимитирующим скорость газообмена в современных искусственных легких, является сопротивление, оказываемое пограничной пленкой крови. Чтобы снизить это сопротивление или, что одно и то же, уменьшить толщину такой пленки, существуют два пути: либо создать на поверхности пленки вторичный турбулентный поток, либо достичь такого положения, чтобы в мембранах, столь же хорошо совместимых с кровью, как стенки капилляров, эритроциты перемещались, образуя монослой (табл. 9, 10).

Таблица 10. Скорость переноса газа в кровь при использовании искусственных легких

 

Скорость подачи газов, мл/(мин-м2)

Состав и структура пленки

о2

со2*

Силиконовый каучук с полиэфирным наполнителем

40 (130)**

58

Сверхтонкая пленка этилцеллюлозы с перфторбутилатом, нанесенная на нетканое полотно из полиолефина

44 (800)**

86

Сверхтонкая пленка из полиалкилсульфона, нанесенная на пористый полипропилен

52*** (1 100)**

190

Губчатый полипропилен (Celgard)

52*** (вполне хорошая)**

270

Тефлон

52*** (вполне хорошая)**

250

Gore-Tex

52*** (вполне хорошая)**

260

Примечания:
* АР0 = 30 мм рт. ст.
** ДР0 = 730 мм рт. ст.
*** При сопротивлении пограничной пленки крови.
Синтетическим полимерным материалом, впервые использованным при создании искусственных легких мембранного типа, был не силикон, а тефлон. Это объяснялось тем, что при  более низкой газопроницаемости он гораздо технологичнее силикона и из него удалось получить такие мембраны, которые для того времени оказались наилучшими, ибо наряду с доступностью обладали исключительно хорошей совместимостью с кровью.
В начале 1960-х годов были проведены первые эксперименты по использованию силиконов в композициях с армирующими материалами — сначала с микродисперсным кремнеземом, затем с полиэфирами, полиамидами и со стекловолокном. Была разработана целая гамма наполненных силиконовых мембран с хорошей газовой проницаемостью. Фирмой «Дженерал электрик» была проведена серия научно-исследовательских работ, цель которых состояла в том, чтобы повысить прочность силиконов, не снижая при этом их газопроницаемости. В результате был создан новый материал, представляющий собой блоксополимер полидиметилсилоксана с поликарбонатом (полимер XD; МЕМ-213). Действенность химизма здесь сводится к тому, что в механизме внутримолекулярного армирования силикона поликарбонатные блоки обеспечивают прочность, а полидиметилсилоксановые участки сохраняют газопроницаемость. Из такого материала удалось получить достаточно тонкие мембраны
вполне удовлетворительной механической прочности. Правда, газопроницаемость их оказалась значительно ниже, чем у силиконовых пленок, однако в общем, исходя из данных, приведенных в табл. 11, можно говорить, что с точки зрения специально медицинской функциональности расхождения невелики: во всяком случае, они не принципиальны.
В настоящее время фирма «Дженерал электрик» экспериментирует в области технологии формования полых волокон из нового материала МЕМ-213 и разрабатывает искусственные легкие на их основе. Вместе с тем не прекращаются и параллельные исследования по модификации силиконовых мембран, в частности, путем гомогенного диспергирования в силиконе микродисперсии двуокиси кремния в сочетании с широким варьированием условий вулканизации и другими экспериментами. В результате всех работ фирме удалось приблизиться к завершающей стадии создания весьма тонкой пленки, через которую просачивание крови исключено.

Таблица 11. Газопроницаемость блоксополимеров полидиметилсилоксан-поликарбонатного ряда (газ — газ; слой крови толщиной 100 мкм)
Газопроницаемость блоксополимеров полидиметилсилоксан-поликарбонатного ряд
ДРо2=760 мм рт. ст.; ДРсо2=40 мм рт. ст. В крови: Do2 =3,28* 10-5; Dco2 =82-10-5:
* мил — единица измерения, равная 0,001 дюйма.

Таблица 12. Газопроницаемость пленок на основе поли-4-метилпентена-1
Газопроницаемость пленок на основе поли-4-метилпентена-1
Известно, что газопроницаемость полимеров очень невелика, однако разработаны и практикуются способы производства полимерных пленок, способных пропускать газы. Методика  способов либо основана на диспергировании в высокомолекулярном веществе газопроницаемой жидкой субстанции, либо сводится к получению высокопористых материалов. Так, например, разработана технология производства полых волокон, согласно которой в поли-4-метилпентене-1 диспергируют полипентеновое или силиконовое масло в виде порошка с размерами зерен 0,2—0,3 мкм (табл. 12). Характерно, что на поверхности мембраны наполняющее масло отсутствует и опасность инфильтрации его в кровь исключена. Другая технологическая схема связана с созданием высокопористых материалов, к которым относятся, например, губчатые полипропилен и тефлон (см. табл. 9).
Существуют мембраны, которые, будучи микропористыми, имеют на поверхности контакта с кровью тончайший слой,  плотно прилегающий к рельефу мембраны и повторяющий все его изгибы и неровности. Не касаясь таких мембран, отметим, что практикуется и такой метод, по которому на поверхность микропористой мембраны наносят при растяжении совместимую с кровью пленку, обладающую высокой газопроницаемостью (см. табл. 10). Данная методика обусловлена тем, что использование пористых мембран, несмотря на исключительную хорошую их проницаемость для паров воды, в той или иной степени (в зависимости от размеров пор) чревато опасностью тромбоза или внесения инфекции пузырьками воздуха.
Весьма удачным материалом для формирования газопроницаемых мембран, совместимых с кровью, оказались полиалкилсульфоны, синтезируемые сополимеризацией а-олефинов с S02. Полимеры этого ряда представляют собой термопластичные смолы, обладающие благоприятным комплексом свойств — экономической доступностью, хорошей растворимостью, высокой технологичностью; из них легко формируются как плоские пленки, так и полые волокна. По современным воззрениям, хорошая газопроницаемость полиалкилсульфоновых мембран обусловлена, во-первых, внутримолекулярными перемещениями боковых цепей, во-вторых, расширением расстояний между главными макромолекулярными цепями под действием боковых, в-третьих, тем, что основные цепи приобретают подвижность, а полярность групп S02 под влиянием боковых цепей снижается; по-видимому, играют роль и некоторые другие факторы.

Данные, приведенные в табл. 13, можно резюмировать следующим образом. Если число атомов углерода в боковых цепях не превышает 16, действие их направлено на увеличение газопроницаемости, в случае же С\з боковые цепи образуют кристаллические участки, либо действуют так, что прочность мембран возрастает, но газопроницаемость начинает снижаться. Мембраны, сформованные из алкилсульфонового гомополимера, имеют малое относительное удлинение и некоторые другие низкие механические показатели, поэтому, основываясь на материалах, приведенных в табл. 9 и 10, вполне логично предположить, что все преимущества этого материала могут быть реализованы в полной мере при использовании его в виде покрытия на высокопористых пленках.
Таблица 13. Газопроницаемость полиалкилсульфонов
Газопроницаемость полиалкилсульфонов

Касаясь возможности использования перфторбутилата этил-целлюлозы, надо отметить, что гомогенные мембраны из него плохо пропускают кислород и углекислый газ: проницаемость их составляет лишь около 1/10 диффузионности силиконовых мембран (см. табл. 9, 10). Вместе с тем из раствора этого полимера весьма легко формуются пленки, и в настоящее время идут интенсивные работы, направленные на реализацию указанного свойства в области создания мембран для искусственных легких методом нанесения полимера на пористую пленку или на нетканое полотно.
Следует выделить одну особенность, характерную для аппаратов «искусственные легкие». Она состоит в том, что даже при использовании мембран с низкой кислородной проницаемостью независимо от того, подается в аппарат чистый кислород, воздух или кислород под давлением, в любом случае в кровь будет поступать лишь заданный, строго необходимый объем кислорода. Что же касается выделения углекислого газа, то здесь движущей силой является его парциальное давление в крови. Произвольно варьировать этот параметр мы не в состоянии, а потому в данном случае остается надеяться только на проницаемость мембран.

Аппараты «Искусственные легкие»
Рис. 5. Аппараты «Искусственные легкие».
а — модель Lande — Edwards: вверху — внешний вид аппарата, внизу — фрагменты внутреннего устройства; б — модель Колобова; кровь проходит между мембранами; кислород «омывает» внутреннюю полость; существует модель и с противоположной динамической картиной; в — аппарат, действующий на полых волокнах.
1—венозная кровь; 2—артериальная кровь; 3 — пластинка-держатель для мембраны; 4 — газ; 5 — кровь; 6 — мембрана; 7 — кровь, насыщенная кислородом; 8 — силиконовая мембрана; 9 — полиэтиленовая подложка; 10 — край сетки; 11  — венозная кровь; 12 — всасывание; 13 — выход кислорода; 14 — кровь, насыщенная кислородом; 15 —твердый силиконовый полимер; 16 — всасывание при 200 мм рт. ст.; 17 — кислород (давление задано); 18 — венозная кровь; 19 — кровь.
К настоящему времени уже разработаны конструктивные разновидности аппарата «искусственные легкие»: типа сэндвича с использованием плоских мембран, спирального типа, а также аппарат, действие которого основано на применении полых волокон. Необходимо подчеркнуть, что, какой бы из этих аппаратов ни эксплуатировался, все разработки и усовершенствования преследуют две принципиальные цели: всесторонне улучшить ток крови и свести к минимуму сопротивление пограничной пленки крови. Некоторые результаты усилий в этих направлениях отражаются данными, приведенными в табл. 14 и на рис. 5.
Таблица 14. Современные мембранные аппараты «искусственные легкие»


фирма

«Edwards»

«Traveno]»

«Cutter»

«General
Electric»

SCI—MED

Модель

«Lande— Edwards»

Mod ulung

B ramson— Cutter

Dual lung

Colobow

Площадь мембраны, м2

1 3

0,75 3

5,3

3

1,5 3,5

Ток крови, л/мин Объем крови в легких, мл

0,5 1,5
180 500

0,75 3 150 600

3
1000

2—3
600

1,5 3,5
170 370

Наличие внутриорганного теплообменного устройства

Отсутствует

Отсутствует

Имеется

Имеется

Отсутствует



 
« Пограничная интеллектуальная недостаточность   Полиурия и полидипсия »