- •Роль высокомолекулярных соединений в существовании жизни на Земле
- •Основные представления о химии и физико-химии высокомолекулярных соединений
- •Основные свойства высокомолекулярных соединений.
- •Деформационно-прочностные свойства.
- •Свойства растворов полимеров.
- •Общие сведения о биополимерах и полимерах медицинского назначения
- •Принципы классификации полимеров и материалов на их основе, используемых в биомедицинских технологиях.
- •Классификация полимеров биомедицинского назначения по признаку химической структуры и молекулярных характеристик
- •Углеводороды и элементорганические полимеры.
- •Полисахариды и их производные.
- •Полиэфиры и поликарбонаты
- •Полиамиды.
- •Полимеры других химических классов.
- •Требования к молекулярным характеристикам полимеров медицинского назначения.
- •Фазовые и агрегатные состояния полимеров в процессе реализации ими биомедицинских функций.
- •Конкретные области использования полимеров биомедицинского назначения.
- •Полимеры медико-технического назначения
- •Полимеры, предназначенные для введения в организм
- •Полимеры как функциональные и вспомогательные материалы для создания лекарственных форм медицинских препаратов.
- •Полимеры, используемые в восстановительной хирургии
- •Полимеры направленного биологического действия
- •Биодеградируемые полимеры для использования в тканевой инженерии.
- •Химическая природа полимера для изготовления скаффолда.
- •Типы полимерных скаффолдов, технологии их изготовления;
- •Взаимодействие клеток с полимерной поверхностью скаффолда.
- •Полимерные материалы для функциональных узлов медицинских аппаратов
- •Полимерные мембраны
- •Общие сведения о мембранной фильтрации
- •Способы изготовления и особенности структуры мембранных фильтров
- •Основные типы мембранной фильтрации
- •Газоразделительные мембраны
- •Полимерные сорбенты и носители
- •Классификация полимерных носителей
- •Синтез полимерных носителей
- •Синтез носителей с формированием их микроструктуры в процессе полимеризации
- •Введение функциональных групп в полимерную матрицу
- •Получение носителей сшивкой готовых макромолекул
- •Некоторые примеры использования полимерных носителей в практике
- •Синтез пептидов на полимерных носителях
- •Полимерные реагенты в синтезе пептидов
- •Полимерные реагенты в органическом синтезе
- •Другие примеры использования полимерных носителей
- •Полимерные материалы для хроматографии и электрофореза.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
А.Ю. Билибин, И.М. Зорин
ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В
МЕДИЦИНЕ И БИОЛОГИИ
Учебное пособие
Издательство Золотое Сечение
Санкт-Петербург
2008
Содержание
1. Роль высокомолекулярных соединений в существовании жизни на Земле 4
2. Основные представления о химии и физико-химии высокомолекулярных соединений 5
2.1. Основные свойства высокомолекулярных соединений. 7
2.1.1. Деформационно-прочностные свойства. 7
2.1.2. Свойства растворов полимеров. 8
3. Общие сведения о биополимерах и полимерах медицинского назначения 11
4. Принципы классификации полимеров и материалов на их основе, используемых в биомедицинских технологиях. 17
4.1. Классификация полимеров биомедицинского назначения по признаку химической структуры и молекулярных характеристик 17
4.1.1. Углеводороды и элементорганические полимеры. 18
4.1.2. Полисахариды и их производные. 18
4.1.3. Полиэфиры и поликарбонаты 19
4.1.4. Полиамиды. 19
4.1.5. Полимеры других химических классов. 20
4.1.6. Требования к молекулярным характеристикам полимеров медицинского назначения. 20
4.2. Фазовые и агрегатные состояния полимеров в процессе реализации ими биомедицинских функций. 21
5. Конкретные области использования полимеров биомедицинского назначения. 22
5.1. Полимеры медико-технического назначения 22
5.2. Полимеры, предназначенные для введения в организм 23
5.2.1. Полимеры как функциональные и вспомогательные материалы для создания лекарственных форм медицинских препаратов. 24
5.2.2. Полимеры, используемые в восстановительной хирургии 29
5.2.3. Полимеры направленного биологического действия 33
5.3. Биодеградируемые полимеры для использования в тканевой инженерии. 36
5.3.1. Химическая природа полимера для изготовления скаффолда. 38
5.3.2. Типы полимерных скаффолдов, технологии их изготовления; 39
5.3.3. Взаимодействие клеток с полимерной поверхностью скаффолда. 42
5.4. Полимерные материалы для функциональных узлов медицинских аппаратов 45
6. Полимерные мембраны 46
6.1. Общие сведения о мембранной фильтрации 46
6.2. Способы изготовления и особенности структуры мембранных фильтров 48
6.3. Основные типы мембранной фильтрации 53
6.4. Газоразделительные мембраны 55
7. Полимерные сорбенты и носители 58
7.1. Классификация полимерных носителей 60
7.2. Синтез полимерных носителей 67
7.2.1. Синтез носителей с формированием их микроструктуры в процессе полимеризации 68
7.2.2. Введение функциональных групп в полимерную матрицу 70
7.2.3. Получение носителей сшивкой готовых макромолекул 73
7.3. Некоторые примеры использования полимерных носителей в практике 73
7.3.1. Синтез пептидов на полимерных носителях 74
7.3.2. Полимерные реагенты в синтезе пептидов 77
7.3.3. Полимерные реагенты в органическом синтезе 78
7.3.4. Другие примеры использования полимерных носителей 80
7.4. Полимерные материалы для хроматографии и электрофореза. 84
-
Роль высокомолекулярных соединений в существовании жизни на Земле
Высокомолекулярные соединения как особая низкоэнтропийная форма существования вещества представляют собой основу возникновения и существования жизни на Земле, каким бы ни было ее происхождение – привнесенная из Космоса или возникшая из простейших веществ непосредственно на Земле. Основой продолжающейся уже более двух миллиардов лет жизни на Земле является способность макромолекул записывать, хранить и воспроизводить информацию. Без этой способности вещества, характерной только для высокомолекулярных соединений, существование и воспроизведение жизни невозможно. Таким образом, жизнь на земле или за ее пределами могла возникнуть только как результат формирования сложных макромолекул из атомов и молекул простых веществ.
И действительно, какой бы самый простой живой организм мы ни взяли для рассмотрения, мы обязательно обнаружим в нем высокомолекулярные соединения как основной структурный и функциональный компоненты. Основное свойство живой материи – способность к самовоспроизводству – определяется именно информационной способностью макромолекул. Вирусы – полувещества-полуорганизмы – состоят из изменчивой белковой оболочки и «начинки» из нуклеиновых кислот. В простейших одноклеточных организмах содержание и природа составляющих их высокомолекулярных соединений гораздо более разнообразна и по функциям и по химическому составу этих полимеров.
Так один из самых распространенных природных полимеров полисахарид целлюлоза (ежегодное производство в природе 1015 кг) является структурной основой всех растительных организмов. Структурную функцию экзоскелета членистоногих выполняет другой полисахарид – хитин, у млекопитающих структурную функцию выполняют коллагены и другие белки. В дальнейшем изложении эти вопросы будут рассмотрены более подробно.
С усложнением организмов возрастает и количество видов полимеров, используемых Природой для «конструирования» этих организмов, и сложность и многообразие их функциональных назначений.
То обстоятельство, что по своей природе и физико-химическим свойствам (гибкость, мягкость, эластичность, способность разлагаться в физиологических средах) многие натуральные и с синтетические полимеры и материалы на их основе сходны с различными тканями человеческого организма создает естественную основу для их использования в медицинских целях. И действительно материалы из природных полимеров широко использовались во врачевании с древнейших времен (перевязочные и шовные материалы, пленочные покрытия из соков и отваров растений и др.)
Роль полимерных материалов в современных медицинских и биологических технологиях трудно переоценить, притом, что их значение постоянно возрастает. Это и конструкционные материалы для медицинских инструментов, деталей медицинских аппаратов, и вспомогательные вещества для производства лекарств — наполнители, упаковочные материалы, и, наконец, материалы сложного функционального назначения — узлы медицинских аппаратов типа искусственное легкое, искусственная почка, а также кровезаменители. Полимеры широко используются и в медицинском и биохимическом анализе.
Очевидно, что функциональные назначения полимеров в медицине и биологии предъявляют гораздо более жесткие требования к свойствам и характеристикам полимерных материалов, а также методам их аттестации. Некоторые вопросы, связанные с ролью высокомолекулярных соединений в биологии и медицине рассматриваются в настоящей главе. Однако для лучшего их понимания читателями, недостаточно знакомыми с высокомолекулярными соединениями целесообразно рассмотреть основные положения этой области знаний.