Канюков В.Н., Стрекаловская А.Д., Килькинов В.И., Базарова Н.В. Материалы для современной медицины

Подождите немного. Документ загружается.

ции разрыва связей, крайне мала. Размер реакционно-способной молекулы мо-

жет влиять на скорость распространения трещины, даже если он меньше диа-

метра кончика трещины. В сущности, область трещины перед кончиком дей-

ствует как сито, которое пропускает молекулы к кончику со скоростью,

определяемой их размером.

Рисунок 7 - Регистрация реакции с метанолом

Аналогичное явление наблюдается в цеолитных молекулярных ситах.

Цеолиты представляют собой алюмосиликатные кристаллы, содержащие от-

четливо выраженные клеточные структуры, которые соединяются отверстиями

определенного размера; крупные молекулы не пропускаются, тогда, как мелкие

проходят через отверстия и адсорбируются внутри клеточных структур. Опира-

ясь на измеренные скорости молекулярной диффузии в цеолитах, с помощью

которой моделируется движение молекул внутри трещины к ее кончику, можно

сделать вывод, что метанол должен диффундировать к копчику со скоростью,

на четыре порядка величины меньше скорости диффузии воды. Зная значения

скоростей молекулярной диффузии вблизи кончика трещины и скоростей дис-

социативных химических реакций с участием напряженной связи кремний —

кислород, можно предсказать с точностью до порядка величины относительную

скорость роста трещин в стекловидном кремнеземе под воздействием реакти-

вов.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что существует

возможность создания поверхностного покрытия, закрывающего отверстие

трещины и ограничивающего доступ в нее малых молекул (таких, как вода), ко-

торые атакуют атомные связи на кончике и таким образом химически ослабля-

ют стекло. При использовании такого молекулярного покрытия для защиты

трещины, было обнаружено, что скорость роста трещины уменьшается в 1000

раз. Если такое покрытие удастся наносить на стеклянные изделия в процессе

производства, оно значительно увеличит их срок службы.

То же справедливо и в отношении керамики. Конкретные реакции, про-

текающие на кончике трещины, неодинаковы для разных материалов, и химия

каждого твердого вещества должна рассматриваться с учетом его индиви-

дуальных особенностей. Например, в сложных силикатных стеклах простой

механизм разрыва связей, объясняющий рост трещины, может усложняться об-

разованием реакционных слоев толщиной несколько микрометров. Хотя реак-

ционные слои непосредственно не влияют на процесс разрыва связей, они мо-

гут существенно изменить величину напряжения на кончике трещины.

3.4 Керамика

Керамика – материал, получаемый спеканием глин и их смесей с мине-

ральными добавками, а также оксидов металлов и других неорганических со-

единений (карбидов, боридов, нитридов, силицидов). По структуре различают:

- грубую керамику (строительный шамотный кирпич);

- тонкую с однородной мелкозернистой структурой (фарфор, пьезо- и сигнето-

керамика, керметы);

- пористую с мелкозернистой структурой (фаянс, терракота, майолика);

- высокопористую.

Тонкая керамика используется в электротехнической, радиотехниче-

ской, химической промышленности, а также для производства изделий меди-

цинской техники. В этой разновидности керамики особое место занимает ме-

таллокерамика (керметы) – материалы, искусственно создаваемые посредством

спекания металлических и керамических порошков. Применяется в авиацион-

ной промышленности, энергомашиностроении, для изготовления режущих ин-

струментов, а также в стоматологии.

3.5 Резина. Резиновые материалы и область их применения

Резина – мягкий, эластичный материал, продукт вулканизации смесей

каучука с серой и другими добавками (свинец и т.п.). Относится к химически

стойким, газо- и водонепроницаемым материалам, устойчив к истиранию, с

хорошими троизоляционными свойствами (применяется в электроэн -

тике).

элек ерге

В промышленности резина нашла применение в виде шин, транспорт-

ных лент и др. В медицине широко используется с целью изготовления систем

для переливания крови и введения лекарственных форм внутривенно-

капельным способом, колпачков, противозачаточных средств, защитных уст-

ройств, хирургических перчаток.

Специальные резины

Резина НАИРИД – высокоэластичная, вибростойкая, озоностойкая, менее мо-

розостойкая и теплостойкая. Марка СКН обладает высокой маслобензино-

стойкостью.

Резина ТИОКОЛ – в основном применяется в герметизирующих производст-

вах.

Светоозоностойкая резина – марки: СКФ, СКЭП и бутилкаучук. Эти виды

резины обладают износостойкостью. Применяются в изготовлении ремней,

тракторных лент, маслобензиностойких уплотнителей, манжет, диафрагм, гиб-

ких шлангов, рукавов и т.д.

Резиновые материалы – экономичны, эффективны, менее материало-

ёмкие: снижение массы конструкции в 4 – 5 раз (по сравнению с металличе-

скими материалами), сокращение производственных циклов (металлические

детали – 10 механических обработок, а пластмассовые и резиновые - зачастую

1 – 2 технологические операции). Эти свойства значительно снижают трудо-

емкость (в 5 – 6 раз). В некоторых случаях резиновые изделия превосходят по

эффекту работоспособности металлические и пластмассовые детали.

4 Полимеры в медицине

Полимеры - высокомолекулярные соединения (ВМС), вещества с высо-

кой 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 по-

лимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеино-

вые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества.

Большое число ВМС получают синтетическим путем на основе простейших со-

единений и элементов нефтяного, углехимического, лесохимического и мине-

рального происхождения в результате реакций полимеризации, поликонденса-

ции и химических превращений одних полимеров (природных и синтетиче-

ских) в другие. Особую группу составляют неорганические полимеры (пла-

стичная сера, силикаты и др.).

Полимерные материалы делят на три основные группы: пластические

массы, каучуки и химические волокна.

Полимерные материалы широко применяются во многих областях жиз-

недеятельности человека, удовлетворяя потребности различных отраслей про-

мышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта.

Есть два типа химических реакций, приводящих к превращению моно-

меров в полимеры: поликонденсация и полимеризация. Они отличаются хими-

ческим строением. Синтетические полимеры, выпускаемые в настоящее время,

примерно на 75 % состоят из продуктов полимеризации. Применяются они в

строительстве и радиоэлектронике, медицине, машиностроении и производстве

бытовых изделий.

Материалы из природных или синтетических полимеров способны при-

обретать заданную форму. При нагревании и под давлением устойчиво сохра-

няют заданную форму даже после охлаждения.

В медицине широко применяются изготовленные из синтетических

полимеров искусственные суставы, сосуды и т.п., полностью заменяющие тка-

ни организма (таблица 1). Изготовление их чаще осуществляется из материалов

на основе ВМС (полимеров) - пластмасс. При нагревании им можно придавать

различную форму, что позволяет выпускать разнообразные изделия из них. Как

правило, пластмасса - смесь нескольких веществ; полимер - лишь одно из них,

но самое важное. Он связывает остальные компоненты в единую, более или ме-

нее однородную массу, поэтому полимер часто называют связующим. Перво-

начально пластмассы получали на основе природных полимеров - производных

целлюлозы, каучука, молочного белка казеина и других. В дальнейшем в каче-

стве связующих стали применять и синтетические полимеры - фенолформаль-

дегидные смолы, полиакрилаты, полиэфиры и др. Общим для всех пластмасс

является то, что во время формирования изделий их полимеросвязующая осно-

ва находится в вязкотекучем состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном

или кристаллическом.

Морфологические изменения при введении пластмасс в организм харак-

теризуются развитием асептического воспаления (воспаления без инфекции). В

результате направленного движения защитных клеток фагоцитов (по теории

Мечникова): нейтрофилы, моноциты, макрофаги, базофилы и др., в зону рас-

пространения полимера, происходит воздействие на ткани организма при опе-

ративном вмешательстве или химическом раздражителе.

Таблица 1 - Синтетические полимеры медико-технического назначения

Класс полимеров Название полимера

Целевое назначение в медицинской

практике

Кремнийорганические

соединения

Силиконы

Полисилоксаны

Изделия применяются для контурной

пластики (замена мягких тканей, дета-

лей аппаратов искусственных орга-

нов). Иногда эти материалы называют

компаундами (сложные соединения

полимерных материалов). Они приме-

няются для окклюзии протоков подже-

лудочной железы, в ортопедических

изделиях.

Полиакрилаты

Полигидрооксиэтил

метакрилат

(НЕМА)

Изделия для кератопротезирования.

Применяется при внутренней сосуди-

стой окклюзии, для контурной пласти-

ки мягких тканей.

Полидодекандамид

(полиамид- 12)

Протезно-ортопедические изделия, хи-

рургические нити.

Полиамиды

Поликапромид (ка-

прон)

Протезно-ортопедические изделия, хи-

рургические нити.

Полипропилен

Нити, детали искусственных клапанов

сердца, сосудистые протезы.

Полиэтилен (высо-

кого давления)

Изделия для кератопротезирования,

детали аппарата «искусственная поч-

ка», «сердце – легкие».

Полиолефины

Фторированные

лиолефины

(фторопласт 4)

Нити, протезы сосудов и клапанов

сердца, фетр и трикотажные ткани для

реконструктивных операций на сердце.

Клей ХЛЗ

Бесшовные соединения тканей при

операции.

Полиуретаны

Сегментированный

полиуретан

Камеры искусственного сердца, внут-

рисосудистые баллоны, протезно-

ортопедические изделия.

Полигалантин

Нити (VICZIE), перевязочный матери-

ал, протезно-ортопедические изделия.

Полигликолид

Нити (DEXON), перевязочный матери-

ал, протезно-ортопедические изделия.

Поликарбонат

Корпуса деталей искусственных желу-

дочков в кардиологии.

Полиэфиры

Полиэтилен - фто-

лат (лавсан)

Сетки, нити, протезы сосудов, ленты

для пластики связок и сухожилий.

Химическими раздражителями могут быть физически активные вещест-

ва, продуцируемые поврежденными клетками и тканями, а так же вещества,

выделяемые полимерными соединениями и зависящие от химических и физи-

ческих свойств данного полимера.

Благотворным исходом является образование соединительной капсулы

(ткани), в которой происходит постоянное обновление, особенно когда такая

ткань образуется как снаружи, так и изнутри (восстановление непрерывности

пищевода, мочеточников, желчных протоков и др.).

Однако данный процесс не всегда происходит, что чревато неудачей –

отторжением вживленного полимера. Такой исход наиболее вероятен, когда

полимер не обладает биологической совместимостью, что также может привес-

ти к злокачественному образованию.

В современной медицине пластмассовые полимеры нашли широкое при-

менение в реконструктивно – восстановительной хирургии, травматологии,

ортопедии, урологии, стоматологии, офтальмологии и др.

Требования, предъявляемые к пластмассовым полимерным материалам:

1) физиологическая безвредность;

2) отсутствие токсичности;

3) отсутствие канцерогенности;

4) отсутствие аллергогенности;

5) минимальное раздражающее действие на окружающие ткани;

6) постоянство физико-химических и механических свойств;

7) большая прочность и работоспособность при незначительной усталости;

8) длительная и функциональная пригодность реконструируемого органа или

ткани.

4.1 Особенности применения полимерных материалов в медицине

Полимерные материалы, находящиеся в контакте с биологическими сре-

дами живого организма, могут растворяться в этих средах без изменения мо-

лярной массы или подвергаться биодеструкции по следующим основным меха-

низмам:

1) гидролиз с образованием макромолекулярных осколков и мономерных

продуктов;

2) каталитический гидролиз под влиянием ферментов;

3) фагоцитарное разрушение (защитная клеточная реакция организма на

инородное тело).

В реальных условиях скорость биодеструкции обусловлена суммарным

воздействием указанных факторов. Биологическая активность полимерных ма-

териалов связана с образованием продуктов биодеструкции, а также с присут-

ствием в полимерах остаточных мономеров и добавок (пластификаторов, ста-

билизаторов, красителей, наполнителей, эмульгаторов, инициаторов и др.).

Среди многочисленных проблем санитарно-химических исследований

особое значение имеют следующие:

1) выявление токсикологической опасности полимерных материалов на ос-

новании качественного и количественного определения состава низкомолеку-

лярных продуктов;

2) изучение закономерностей миграции примесей из полимеров в зависимо-

сти от их химической природы и сред живого организма;

3) исследование процессов метаболизма, изменения функциональных систем

организма, путей выведения из него продуктов биодеструкции.

Особое значение имеет токсикологическая оценка полимерных материа-

лов, применяемых в медицине в условиях непосредственного контакта с живым

организмом. Необходимость тщательной токсикологической оценки полиме-

ров, даже обладающих высокой химической стойкостью и инертностью, связа-

на с тем, что процессы их переработки часто осуществляются при температу-

рах, близких или превосходящих начальные температуры разложения этих по-

лимеров (таблица 2).

Продукты термической и термо-окислительной деструкции могут при-

сутствовать в материале и в сорбированном виде, оказывая токсичное воздей-

ствие на организм, которое непосредственно не связано с химической природой

и структурой исходного полимера.

Таблица 2 - Допустимые температуры переработки полимерных материалов

при производстве изделий медицинского

назначения

Темп

aт

ур

Наименование

материала

разложения

(начальная)

перераб

отки

(максимальная)

Способ переработки

Полиамиды

Поливинилхлорид

150

280

160

Прядение

Вальцевание, сварка

Полиметилметакрилат

Полипропилен

300

280

225

260

Сварка

Литье под давлением

Полиорганосилоксаны

Полистирол

260

250

210

205

Прессование

Литье под давлением

Политетрафторэтилен

Полиэтилен

300

100

375

120

250

Спекание

Вальцевание

Литье под давлением

Имплантация в организм животных ряда полимерных материалов, не

обладающих общетоксичным действием, иногда приводит к возникновению

злокачественных опухолей. Так, через 6—8 месяцев после имплантации в раз-

личные органы крыс гладких пластинок из полиэтилена, поливинилхлорида,

фторопласта, полиакрилатов, полиамидов, кремнийорганического каучука и

др., наблюдалось возникновение злокачественных опухолей. Однако, такое

бластоматозное действие наблюдалось лишь у мелких животных (крысы, мы-

ши, 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 сла-

бый бластоматозный эффект. Большинство исследователей считает, что бла-

стомогенное действие биоинертных полимеров обусловлено не их химической

природой, а механическим длительным раздражением стенок соединительнот-

канной капсулы, возникающей вокруг имплантированного материала, и нару-

шением нормального обмена в ней.

4.2 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, об-

ладающих рядом преимуществ перед аналогичными изделиями из металлов и

стекла. Ассортимент и область применения полимерных материалов, разре-

шенных для изготовления изделий медицинского назначения, представлен в

таблице 3.

Таблица 3

Ассортимент и области применения полимерных материалов

медико-технического назначения

Наименование

материала

Области применения

Полиэтилен высокой

плотности

Детали медицинских приборов и инструментов, предметы

ухода за больными, лабораторное оборудование, футляры-

стерилизаторы, пробирки, пипетки и т.п.

Полиэтилен низкой

плотности

Мягкие емкости различного назначения, соединительные

трубки, шприц-тюбики, протезно-ортопедические изделия,

бачки для гаммаглобулина.

Полиамиды Детали медицинских приборов и инструментов, воронки,

трубки, оправы очков, канюли переходные.

Поликарбонат

Фторопласт – 4

Протезно-ортопедические изделия

Медицинские инструменты и их детали, зонды, катетеры,

канюли, емкости различного назначения, лабораторная по-

суда, предметы ухода за больными.

Пластикат Эластичные медицинские инструменты – катетеры, бужи

пищеводные, трахеотомические трубки, системы для взя-

тия и переливания крови, клеенка.

Полистирол Шприцы разового использования, чашки Петри, футляры,

упаковка для лекарственных препаратов.

Ацетобутиратцеллю-

лозный и ацетилцел-

люлозный этролы

Оправы корригирующих очков, линзы защитных и солнце-

защитных очков.

Полипропилен неста-

билизированный

Детали медицинских приборов и аппаратов.

В первую очередь изделия из полимеров высокоэкономичны, а в ряде

случаев обладают повышенной стойкостью к воздействию различных сред.

Выпуск изделий возможен для разового использования.

Основными требованиями, предъявляемыми к полимерам и материалам

на их основе, используемым в производстве изделий медицинской техники, яв-

ляются:

− необходимый комплекс физико-механических свойств, зависящий от кон-

кретного назначения материала;

− повышенная химическая стойкость, обуславливающая стабильность изделий

под воздействием жидких сред, в том числе стерилизующих жидкостей;

− минимальное содержание низкомолекулярных примесей, стабилизаторов,

катализаторов и др. технологических добавок;

− отсутствие запаха;

− способность выдерживать тепловую (в том числе автоклавирование) и ра-

диационную стерилизацию;

− стабильность состава жидких медицинских препаратов, находящихся в кон-

такте с полимерным материалом.

4.3 Полимеры, используемые в восстановительной хирургии

Полимерные материалы, применяемые в восстановительной хирургии,

предназначены для постоянной или временной замены пораженных или утра-

ченных тканей и органов живого организма.

Биоассимилирующие полимеры используют для временного обеспече-

ния функционирования органа на период регенерации тканей. Биоассимили-

руемые материалы должны обладать способностью, растворяться или деструк-

тироваться под влиянием жидких сред с образованием нетоксичных продуктов,

ассимилируемых тканями, с последующим выведением их из организма.

Скорость превращения твердых биоассимилируемых полимеров в жид-

кие продукты под влиянием биологической среды должна соответствовать ско-

рости регенерации тканей организма и составлять от нескольких недель при

протезировании мягких тканей до нескольких месяцев при протезировании ко-

стных тканей. В таблице 4 приведен ассортимент полимерных материалов, ис-

пользуемых для внутреннего протезирования

и создания функциональных уз-

лов «искусственных органов»

Биоинертные полимеры предназначены для длительного обеспечения

функционирования органов и тканей. Такие полимеры должны обладать высо-

кой устойчивостью к воздействию сред организма, не изменять своих первона-

чальных характеристик при многократных деформациях, допускать тепловую,

радиационную и химическую стерилизующую обработку.

Требованиями, предъявляемыми к таким полимерам, являются:

− физиологическая безвредность;

− отсутствие токсичности и канцерогенных свойств;

− минимальное раздражающее действие на контактирующие с полимером

ткани и др.

Кроме того, конкретные области применения полимеров при протезиро-

вании тканей и органов предъявляют разнообразные и жесткие требования по

комплексу физико-химических и механических свойств.

Таблица 4 - Ассортимент и области применения полимеров для внутреннего

протезирования

Наименование

материала

Области применения

Полиэтилен низкой

плотности

Изделия, контактирующие с тканями организма

Поликапролактам

(капрон)

Протезно-ортопедические изделия, хирургические нити,

изделия, контактирующие с тканями организма

Поликарбонат Корпуса и детали искусственных желудочков и стимуля-

торов сердца

Политетрафторэти-

лен (фторопласт-4)

Протезы сосудов, клапанов сердца, фетр для реконструк-

тивных операций на сердце

Полипропилен Детали искусственных клапанов сердца, протезы сосудов

Полиэтилентереф-

талат (лавсан)

Изделия для внутреннего протезирования и восстанови-

тельной хирургии – сетки, нити, протезы кровеносных

сосудов, ленты для пластики связок и сухожилий

Полиметилметак-

рилат

Изделия для кератопротезирования, детали аппаратов

«искусственная почка», «сердце - легкие» и др.

Кремнийорганиче-

ский каучук

Изделия для внутреннего протезирования, детали аппара-

тов искусственных органов

Цианакрилатный

клей

Бесшовное соединение тканей организма при хирургиче-

ских операциях

4.4 Полимеры, используемые в сердечно – сосудистой хирургии

Использование полимеров в этой области хирургии связано, в первую

очередь, с протезированием клапанов сердца и сосудов. С этой целью в клини-

ческой практике используют следующие полимерные материалы:

− для протезирования сосудов — волокна из фторированных полиолефинов

(фторлон), полипропилена, полиэфирные волокна (лавсан);

− для протезирования клапанов сердца — кремнийорганические (силиконо-

вые) каучуки, полипропилен, волокна из фторлона.

В экспериментальных моделях искусственного сердца широко применя-

ется поликарбонат. При некоторых реконструктивных операциях на сердце

применяют войлок различной плотности из фторлона.