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

Подождите немного. Документ загружается.

Помимо общехирургических требований к материалам, применяемым

для протезирования сердца и сосудов, предъявляются и специфические требо-

вания:

− не должны вызывать гемолиз (разрушение) крови;

− не должны вызывать образование тромбов.

Ряд полимеров, таких как полиамиды, полистирол, способствуют обра-

зованию тромбов (тромбообразованию). Лавсан, политетрафторэтилен, поли-

этилен, полиуретаны не влияют на процесс образования тромбов, а некоторые

из полимеров даже задерживают их образование (кремнийорганический каучук,

поливинилпирролидон и др.).

Большое влияние на скорость тромбообразования оказывает состояние

поверхности полимерного материала. Имеются данные о влиянии на интенсив-

ность тромбообразования электрического потенциала поверхности материала, а

также его смачиваемости.

Проводятся работы по приданию антитромбогенности различным груп-

пам полимеров. Установлено, что эффект тромбообразования можно подавить

путем нанесения на поверхность имплантируемых материалов коллоидного

графита, обработкой стиролсульфокислотой, этиленимином, гепарином и др.

(таблица 5).

Таблица 5 - Влияние химической природы полимеров и обработки их по-

верхности гепарином на время свертывания крови

Время свертывания

крови, мин

Содержание гемогло-

бина через 4 ч, мг %

Наименование

материала

Необрабо-

танная по-

верхность

Обрабо-

танная по-

верхность

Необрабо-

танная по-

верхность

Обрабо-

танная по-

верхность

Полистирол 9 1440 16 50

Полиэтилен 11 1440 25 200

Поливинилхлорид 12 40 10 14

Целлофан 6 60 600 600

Натуральный каучук 10 60 13 -

Бутадиен-винилпиридиновый

каучук

12 60 37 75

Этилен - пропиленовый

каучук

5 60 15 20

Кремнийорганический

фторсодержащий каучук

18 60 15 20

Кремнийорганический каучук 15 60 5 40

4.5 Хирургия внутренних органов и тканей

Хотя операции на легких, пищеводе, кишечнике, мочевыводящих путях

и других органах с применением полимерных материалов сравнительно много-

численны, большинство из них все еще носят характер экспериментальных ра-

бот, и лишь сравнительно небольшой круг материалов нашел широкое клини-

ческое применение. К таким материалам, в первую очередь следует отнести

клеящие композиции на основе эфиров цианакриловой кислоты.

Соединение тканей при различных хирургических операциях с помощью

клея — значительный шаг в совершенствовании медицинских методик, т. к.

обеспечивает герметичность соединения, возможность резкого сокращения ко-

личества накладываемых швов и даже бесшовного соединения, ускорение опе-

раций и сокращение времени заживления ран.

Большое количество операций на диафрагме, при лечении грыж, заме-

щении дефектов тканей брюшной стенки, закрытии дефектов пищевода и др.

осуществляется с применением сетчатых материалов из капронового волокна,

полиэфирных волокон, волокон из полипропилена и фторлона.

Имеются сообщения об успешном протезировании желчных протоков,

мочеточников с помощью трубок из полиэтилена, пластифицированного поли-

винилхлорида, кремнийорганических каучуков. Однако ряд исследователей от-

мечают, что применение протезов из указанных материалов дает лишь времен-

ный положительный эффект, т. к. в большинстве случаев наблюдается «инкру-

стация» протезов солями, приводящая к последующей их закупорке.

Весьма актуальная проблема хирургии легких — восстановительные

операции на трахеях, бронхах, а также операции, связанные с необходимостью

заполнения послеоперационных полостей. Помимо клеев при этих операциях

могут широко использоваться вспененные и гелеобразные композиции на осно-

ве биоинертных и биосовместимых полимеров. Имеются данные о положи-

тельном опыте применения полиорганосилоксанов (монолитных и вспененных)

для пломбирования послеоперационных полостей, восстановления формы

грудной железы и др.

4.6 Травматология и ортопедия

Для создания различных изделий внешнего протезирования (протезов

конечностей, ортопедических вкладок, туторов и др.) широкое применение на-

ходят полиэтилен, поливинилхлорид, стеклопластики, жесткие и эластичные

пенопласты. Применение полимеров для указанных целей позволяет резко об-

легчить протезы, улучшить их функциональные, гигиенические свойства и

внешний вид.

Широкое развитие получили работы по созданию полимеров для внут-

реннего протезирования суставов, участков костей, сухожильных и мышечных

связок. Имеется положительный опыт применения полиэтилена высокого и

низкого давления, полиметилметакрилата и поликарбоната для изготовления

протезов коленных и бедренных суставов. Установлена целесообразность при-

менения комбинированных протезов, в которых наряду с металлическими дета-

лями используют части из полиолефинов. Полимеры с низким коэффициентом

трения можно наносить на поверхность металлических протезов суставов для

улучшения их функциональных свойств. Для замены сухожилий и связок при-

меняют лавсановые ленты. Закрытие дефектов черепа осуществляют с помо-

щью пастообразных, отверждающихся без нагревания композиций, на основе

акриловых полимеров и сополимеров.

Актуальная проблема травматологии — создание различных соедини-

тельных элементов (штифтов, скоб) из биосовместимых полимеров. Это позво-

лит отказаться от операций по извлечению этих элементов после завершения

регенерации костных тканей. Важной задачей является также разработка клее-

вых композиций, обеспечивающих высокую прочность склеивания костных

тканей.

4.7 Применение полимеров в офтальмологии

В современной офтальмологии полимеры являются одним из самых рас-

пространенных видов материалов. Наряду с общими требованиями к ним

предъявляются также требования по прозрачности, смачиваемости поверхности

слезной жидкостью. В очковой коррекции зрения применяются материалы на

основе поликарбоната. В контактной коррекции зрения, реконструктивной оф-

тальмохирургии используются полимеры на основе полиметилметакрилата. В

сочетании с гидроксилметилметакрилатом, метакриловой кислотой, тримети-

лом пропан триметакрилатом, этиленгликолем, диметакрилатом производятся

мягкие контактные линзы (МКЛ) и интраокулярные линзы (ИОЛ).

В зависимости от процентного отношения компонентов меняются физи-

ческие свойства линз и характер взаимодействия с органом зрения и его средой.

Для этих целей используются материалы марки Ст-1, дакрил-4Б, Ханита, Гид-

равью, Окуфилкон А-D, II-FDA не ионная группа, этафилкон A-B. Силикон –

пластик используется в качестве пломб для циркляжа при операции на сетчат-

ке.

На основе полиметилметакрилата производятся материалы для керато-

протезов глазного яблока. Кроме того, в реконструктивной хирургии использу-

ются кремнийорганические полимеры (силикат) в виде жидкостей, каучуков,

пластиков, из которых изготавливаются контактные силикогидрогелевые лин-

зы, дренажи, силиконовые интраокулярные линзы. Силиконовые протекторы

используются при проведении полостных глазных операций, силиконовые кау-

чуки применяются в качестве искусственного стекловидного тела.

Гидрогели этих полимеров используются для приготовления глазных

капель, эмульсий, суспензий, обладающих пролонгирующим действием (про-

лонгированные лекарственные пленки). Из указанных полимеров производятся

инструменты для офтальмологических операций, дренажи, полимерная вата.

Шовные материалы, применяемые в офтальмологии производятся на

основе полимеров: нейтральные – нейлон, этилон, полиэстер, полипропилен;

рассасывающиеся – викрил, биосорб.

4.8 Стоматология и челюстно – лицевое протезирование

Успехи, достигнутые в проведении стоматологических операций,

имеющих массовый характер, во многом связаны с широким внедрением в сто-

матологическую практику полимеров. В РФ выпускается широкий ассортимент

синтетических материалов стоматологического назначения (таблица 6), основу

большинства из которых составляют полимеры и сополимеры акрилового ряда.

Таблица 6 - Характеристика отечественных полимерных материалов стомато-

логического назначения

Состав Наименова-

ние

материала

порошок жидкость

Область применения

АКР-7 Эмульсионный

окрашенный и

пластифициро-

ванный ПММА

замутненный

ZnO или TiO

Метилметакри-

лат, содержащий

стабилизаторы -

гидрохинон и

дифенилолпро-

пан

Изготовление базисов,

мостовидных проте-

зов, искусственных

зубов, шин, лицевых

протезов

АКР-15

(Этакрил)

Сополимер

ММА

***

, мети-

лакрилата, эти-

лакрилата

Смесь этилового

и метилового

эфиров метакри-

ловой кислоты

Изготовление базисов,

съемных протезов, ис-

кусственных зубов

Акреал Суспензионный

окрашенный

ПММА

замутненный

ZnO или TiO

ММА

***

с добав-

кой метилолме-

такриламида и

стабилизатора

Изготовление базисов

Протакрил Смесь ПММА

перекисью бен-

зоила и дисуль-

фанамином

ММА

***

с акти-

ватором - диме-

тилпаратолуиди-

ном

Перебазировка и по-

чинка съемных проте-

зов

ЭГМАС-12 Смесь ПВХ

TiO

Дибутилфталат Изготовление защит-

ных боксерских шин

Норакрил-65 ПММА

, может

быть окрашен в 6

цветов

№1 – ММА

***

гидрохиноном и

деметилпаратол

идином,

№2 – ММА

***

метакриловой

кислотой и гид-

рохиноном

Пломбирование зубов,

восстановление углов

и краев фронтальных

зубов

ПММА

— полиметилметакрилат, ПВХ

— поливинилхлорид, МMA

***

— метилметакрилат

Использование их возможно как в виде вспомогательных материалов,

так и непосредственно для создания стоматологических протезов, изготовления

искусственных зубов, ортодонтических аппаратов, челюстно-лицевых протезов

и др. Проводятся работы по изысканию новых полимеров для стоматологиче-

ских целей. Имеются сообщения об использовании для челюстно-лицевого

протезирования (исправление лицевых дефектов, изготовление искусственных

ушных раковин и т.п.) полипропилена, поликарбоната, кремнийорганических

каучуков, пластифицированного поливинилхлорида и др.

4.9 Полимеры, используемые в функциональных узлах

хирургических аппаратов

В отечественной промышленности и за рубежом разработаны многочис-

ленные аппараты, выполняющие роль отдельных органов или являющиеся

средствами поддержания функционирования систем человеческого организма.

К таким аппаратам относятся различные аппараты искусственного кровообра-

щения (АИК), перитониального диализа (АИП), вживляемые стимуляторы

сердца и других органов. К полимерам, используемым в этих аппаратах, предъ-

являют те же жесткие требования, что и к материалам, предназначенным для

внутреннего протезирования. Полимерные мембраны, выполняющие в АИК и

АИП роль основного функционального узла, должны обладать селективной

пропускаемостью по отношению к компонентам крови, высокой эффективно-

стью диализа, достаточной механической прочностью, оказывать наименьшее

травмирующее действие на кровь. Установлено, что перенос соединения через

полимерные мембраны осуществляется с учетом полупериода (таблица 7).

Таблица 7 - Полупериоды переноса некоторых соединений через различные

полимерные мембраны

Полупериод переноса, мин

Соединение

Пленка из поли-

уретана на осно-

ве полиоксиэти-

ленгликоля

Медно-

аммиачная цел-

люлозная пленка

Полиэтилентера

фталатная

пленка

Мочевина 168 99 57

Глицин 624 150 183

L-Аланин 417 171 201

Саркозин 869 189 262

Д, L-Серин 510 227 249

Креатинин 420 223 150

Мочевая кислота - 471 240

Аскорбиновая кислота 276 254 142

Глюкоза 1056 318 298

Лимонная кислота 258 218 191

Тиаминхлорид 490 386 167

Сахароза 1700 386 412

Целлофановые пленки ранее широко применялись для указанных целей,

но в настоящее время уже не удовлетворяют требованиям, которые предъявля-

ются к материалам, предназначенным для создания портативных и высокоэф-

фективных диализаторов, АИК и других аппаратов. Мембраны нового типа по-

лучают путем модификации пленок из целлофана, используют мембраны из

кремнийорганических полимеров, модифицированных полиолефинов, блок со-

полимеров полиоксиэтиленгликоля с полиэтилентерефталатом, полиуретано-

вых эластомеров и др.

4.10 Полимеры направленного биологического действия

Роль полимеров в фармакологическом аспекте, на сегодняшний день не-

велика. В лечебной практике их используют мало. К веществам, вводимым в

организм, тем более к таким, которые должны в растворенном виде попасть в

кровь, лимфу, межклеточные и клеточные полости и могут достигнуть любой

части тела, любого его рецептора, предъявляются, естественно, очень жесткие

требования. До начала широкого использования полимеров в фармакологии

должно быть изучено множество вопросов, связанных с взаимодействием по-

лимер — организм. Однако, потенциальные возможности получения положи-

тельных эффектов от применения полимеров в этой области весьма велики и

поэтому экспериментальные (на животных) и клинические исследования при-

обретают все больший размах.

Полимеры, применяемые в качестве фармакологических (терапевтиче-

ских) препаратов в виде лекарств или компонентов лекарственных форм и ком-

позиций, обладают свойством растворимости (рассасываемости) в воде, водно-

солевых или в биологических (желудочный и кишечный соки, лимфа, плазма)

средах.

Перевод лекарственных соединений в полимерное состояние позволяет:

− на более длительное время задержать лекарство в организме, т.е.

пролонгировать его действие;

− селективно направить в определенные органы или ткани;

− получить такие лекарственные формы веществ, в которых ранее они не

могли применяться, например, нерастворимые вещества перевести в рас-

творимые или наоборот;

− превратить инъекционные препараты в пероральные, а применявшиеся в

виде порошков или таблеток — в инъекционные (ампульные).

В ряде случаев биологическое действие (сохранение или повышение

кровяного давления, дезинтоксикация, интерфероногенное, противовирусное,

антикоагуляционное действие) проявляется синтетической макромолекулой, в

структуру которой не введено никаких низкомолекулярных фармакологических

веществ. Явно выраженным терапевтическим действием обладают, например

поливинилпирролидон, карбоксилатные сополимеры, сульфовинол, сульфодек-

стран, N-окись поливинилпиридина. Наиболее широкие масштабы приобретает

применение водорастворимых высокомолекулярных веществ в качестве крове-

или плазмозаменителей.

4.11 Полимеры в биологически активных системах

Рассмотрим возможности использования полимеров в биологически ак-

тивных системах, в том числе полимеры с собственной биологической активно-

стью, макромолекулярные системы с иммобилизованными биологически ак-

тивными веществами, системы с контролируемым выделением биологически

активного вещества.

Понятие «биологическая активность» охватывает широкий круг явле-

ний. С точки зрения химического воздействия под биологически активными

веществами (БАВ) принято понимать вещества, которые могут действовать на

биологические системы (в том числе на организм человека), регулируя их жиз-

недеятельность. Способность к такому воздействию трактуют как способность

к проявлению биологической активности. Это утверждение требует пояснений.

Так, термин «регулирование» относится к широкому кругу явлений и может

проявляться в стимулировании, угнетении, развитии тех или иных признаков и

т.п. Крайним проявлением биологической активности является биоцидное дей-

ствие, когда в результате воздействия вещества (биоцида) на организм послед-

ний погибает. В практике хорошо известны такие биоциды, как гербициды,

фунгициды, инсектициды, акарициды, бактерициды, убивающие соответствен-

но растения, грибы, насекомых, клещей, бактерии. Биоциды следует рассмат-

ривать в ряду биологически активных веществ, так как во многих случаях при

меньших дозах и концентрациях они оказывают на живые организмы не ле-

тальное (смертельное), а стимулирующее действие.

Недостатки БАВ. В настоящее время известно большое количество

биологически активных веществ. Их широкое использование могло бы привес-

ти к созданию высокоэффективных лекарств, биоцидов, стимуляторов роста и

развития ценных признаков у растений и полезных микроорганизмов. Несмотря

на значительные достижения в этом направлении применение известных БАВ в

практике все еще недостаточно. Нередко с эффективность от их использования

далека от максимальной. Так, для некоторых лекарственных веществ и биоре-

гуляторов характерны узкие области положительно действующих доз и концен-

траций, превышение которых приводит к побочным эффектам. При этом лекар-

ственные вещества помимо попадания в пораженные органы могут распростра-

няться по другим частям организма, оказывая острое токсическое, аллергиче-

ское, канцерогенное действие. Все это затрудняет точное дозирование исполь-

зуемого БАВ. Кроме того, такое побочное действие не позволяет ввести в орга-

низм такое количество БАВ, которое бы обеспечило необходимое во многих

случаях длительное действие препарата.

При применении БАВ, подвергающихся вымыванию, улетучиванию,

биодеградации (что часто наблюдается при использовании пестицидов), изме-

нению структуры (например, для лекарственных белковых соединений), а так-

же для достижения положительного эффекта требуется использование завы-

шенных доз препарата или его многократное введение, что значительно удоро-

жает применение.

4.12 Биологически активные полимеры и биологически активные

системы с использованием полимеров

Как установлено многими исследованиями, указанные недостатки БАВ

могут быть устранены или их роль может быть значительно снижена при их

использовании в виде химических соединений с некими носителями или моди-

фикаторами, в качестве которых чаще всего используют различные полимеры.

Такое химическое соединение фактически является новым биологически ак-

тивным полимером, отличающимся химическим строением от исходного поли-

мера-носителя. При этом химическая связь БАВ с полимерным носителем мо-

жет быть устойчивой во время функционирования биологически активного по-

лимера (такие полимеры часто называют системами с иммобилизованным , то

есть «обездвиженным» БАВ), но может и разрушаться с определенной скоро-

стью . В последнем случае скорость такого постепенного (пролонгированного)

выделения может регулироваться строением полимера или конструкцией био-

логически активной системы, что позволяет назвать это явление контролируе-

мым выделением (controlled release), а сами биологически активные объекты,

соответственно, полимерами или системами с контролируемым выделением

БАВ.

Другую группу биологически активных полимеров составляют высоко-

молекулярные соединения, не содержащие специально введенных БАВ, актив-

ность которых определяется их макромолекулярной природой. Такие вещества

принято называть полимерами с собственной биологической активностью.

Помимо биологически активных полимеров распространены полимер-

ные формы с не химически введенными БАВ. Для их создания используются

полимеры, сформированные в виде различных форм (таблетки, микрокапсулы,

пленки), которые включают БАВ, химически не связанные с полимерным носи-

телем, постепенно выделяющиеся при функционировании системы.

Наконец, полимеры содержатся в ряде форм в качестве вспомогатель-

ных составляющих - наполнителей, компонентов, облегчающих формование и

т.п.

4.13 Полимеры с собственной биологической активностью

Способность водорастворимых полимеров различного строения, не со-

держащих специально связанного БАВ, влиять на жизнедеятельность организ-

ма человека и других живых организмов показана во многих работах. На основе

таких полимеров получены практически полезные лекарственные и биоцидные

препараты. Выделяют две основные группы таких полимеров: неионогенные

водорастворимые и ионогенные водорастворимые полиэлектролиты.

Неионогенные водорастворимые полимеры. Наиболее известная об-

ласть использования неионогенных водорастворимых полимеров - применение

их для восполнения дефицита компонентов крови, возникающего при шоковой

кровопотере. Эти полимеры являются основой одного из важнейших типов ле-

карственных препаратов - кровезаменителей. Восстановление содержания бел-

ков в плазме после кровопотери за счет биосинтеза - достаточно длительный

процесс (несколько суток).

Использование кровезаменителей позволяет в значительной мере вос-

становить потерянные функции немедленно после их введения в организм. В

частности, водорастворимые полимеры составляют основу двух групп кровеза-

менителей: гемодинамического и дезинтоксикационного действия. Кровезаме-

нители гемодинамического действия восполняют функцию белков плазмы, в

первую очередь, сывороточного альбумина, обеспечивающую осмотическое

давление крови. Поскольку для выполнения этой функции полимер должен

иметь достаточно высокий молярный вес (не менее 50000-60000), в качестве

основы препаратов этого типа используют полимеры природного происхожде-

ния (после определенной химической модификации), способные к последую-

щей биодеструкции в организме и выведению из него. К таким полимерам при-

родного происхождения относятся декстран, частично гидроксиэтилированный

крахмал и получаемый из коллагена денатурированный белок - желатин. Хотя

кровезаменители гемодинамического действия способны комплексоваться с

попадающими в организм токсическими веществами с последующим их мед-

ленным выведением, для ускорения этого процесса применяется специальная

группа дезинтоксикационных кровезаменителей, в качестве основных компо-

нентов которых используются более низкомолекулярные полимеры с молярной

массой 10000. Полимеры с такой молярной массой легко выводятся из организ-

ма с мочой через почки. Поэтому в этих препаратах могут быть использованы и

карбоцепные полимеры: поли-N-винилпирролидон, поливиниловый спирт, по-

ли-N-(2-гидроксипропил) метакриламид.

Водорастворимые полиэлектролиты. У водорастворимых полиэлек-

тролитов проявляются различные типы биологической активности. В частно-

сти, они могут оказывать биоцидное действие на микроорганизмы, моделируя

действие некоторых природных полимеров. Различной биоцидной активностью

обладают и многие синтетические полиэлектролиты. В частности, микробицид-

ная активность отмечена у катионных полиэлектролитов. Главным образом это

азотсодержащие полимеры, преимущественно содержащие боковые или вклю-

ченные в основную цепь первичные, вторичные и третичные аминные или чет-

вертичные аммонийные группы. Эти вещества могут взаимодействовать с кле-

точными мембранами, вызывая распад и агглютинацию клеток или стимулируя

поглощение микроорганизмов макрофагами. Среди них полиэтиленимин, гомо-

полимеры и сополимеры со звеньями виниламина и поливинилпиридиновых

солей, полимеры, содержащие четвертичные аммонийные группы в основной

цепи.

Водорастворимые поликатиониты обладают и другими видами био-

логической активности. В частности, у поликатионов отмечена способность об-

разовывать комплексы с гепарином - природным полисахаридом, регулирую-

щим процесс свертывания крови. Гепарин, содержащий сульфо- и сульфамид-

ные группы, вводят в кровеносное русло для того, чтобы снизить свертывае-

мость крови перед проведением различных операций на сердечно-сосудистой

системе, особенно с использованием аппарата искусственного кровообращения.

После операции для прекращения антикоагулирующего действия гепарина и

приведения механизма свертывания крови в норму необходимо его удаление

или нейтрализация. Для нейтрализации избытка гепарина могут быть использо-

ваны поликатионы.

Биологической активностью обладают и водорастворимые полимер-

ные анионы (полианиониты). Полианионы, содержащие сульфогруппы, могут

использоваться в качестве антикоагулирующих аналогов гепарина. Значитель-

ный интерес вызвали поликарбоксильные полимеры, в частности гидролизо-

ванные сополимеры дивинилового эфира и малеинового ангидрида (так назы-

ваемый пирановый сополимер), содержащий звенья замещенных пирана и тет-

рагидрофурана и менее токсичный сополимер фурана, малеинового ангидрида

и акриловой кислоты.

Полианионы могут влиять на деятельность поглощающих клеток орга-

низма, с чем, вероятно, связана их антивирусная активность, которая позволяет

рассматривать полианионы как перспективные компоненты противовирусных

вакцин. Важной стороной активности полианионов является активация при их

введении образования интерферонов - группы защитных белков, вырабатывае-

мых клетками позвоночных. Повышенная концентрация интерферонов способ-

ствует устойчивости организма, в частности к онкологическим заболеваниям,

что вводит полианионы в число препаратов, обладающих противоопухолевой

активностью.

4.14 Системы с контролируемым выделением БАВ

Системы с постепенным или контролируемым выделением активного

вещества составляют важнейшую группу биологически активных полимерных

систем. Постепенное попадание БАВ в живой организм в малых дозах, скорость

которого можно регулировать, изменяя строение системы, позволяет устранить

многие недостатки свободных БАВ. В частности, использование таких систем

снижает роль побочного действия, например, побочной токсичности, и позво-

ляет ввести в организм повышенную дозу препарата, что важно для лекарст-

венных систем. Как видно, обеспечение длительного действия препарата при

однократном введении невозможно из-за его быстрого расходования. В то же

время увеличить его вводимую дозу нельзя из-за побочной активности.

С другой стороны, этого вполне можно достигнуть используя форму ле-

карственного препарата с контролируемым выделением активного вещества.

Кроме того, одним из важнейших направлений разработки новых систем с кон-

тролируемым выделением активного вещества является создание систем, целе-

направленно доставляющих лекарственное вещество в пораженный орган.

Механизм постепенного дозирования лекарственного вещества из сис-

темы может быть реализован за счет различных факторов.

Чаще всего это:

1) распад химической связи между полимерным носителем и лекарственным

веществом (биологически активные полимеры);