Биоинженерия / Polioxialkanoaty_POA__biorazrushaemye_polimery_dlya_meditsiny

регулируемости и контролируемости процессов их деструкции в живом организме.

Интерес к ПОА растет с конца 80-х годов. Это новый класс биоразрушающихся и биосовместимых полиэфиров, физико-химические свойства которых в зависимости от состава могут существенно варьировать. Полиоксиалканоаты перспективны для применения в пищевой промышленности (упаковочный и антиоксидантный материал), сельском хозяйстве (обволакиватели семян, удобрений, пестицидов, разрушаемые пленки, тара для тепличных хозяйств) и др. сферах, включая медицину и фармакологию.

Сферы применения ПОА в медицине потенциально широки и могут включать изготовление медицинского инструментария и вспомогательных средств (нетканые и одноразовые изделия, шовные и перевязочные материалы), фармакологию (контролируемые системы доставки лекарственных средств), восстановительную хирургию и трансплантологию (Amass et al., 1998; Sudech, Doi, 2000; Stock et al., 2000; Asrar and Graus, 2002). Особо перспективным считается ис-

пользование ПОА для искусственного перикарда, в качестве сосудистых протезов и биоабсорбируемых покрытий внутрисосудистых стентов (Noisshiki and Komatsuzaki,1995; Williams, Martin, 2002), мат-

риц для биоискусственных органов (Sodian et al., 2000; Hoerstrup et al., 2000), в частности, для восстановления функциональности миокарда в постинфарктном периоде (Stock et al., 2001), а также для восстановления костной и хрящевой тканей (Türesin et al., 2001; Korkusuz et al., 2001).

На сегодняшний день многие ключевые моменты медицинского материаловедения ПОА остаются открытыми. Это вопросы, связанные с получением высокоочищенных образцов и способами их переработки в медицинские изделия. Противоречивость имеющихся результатов по токсикологическим свойствам более функциональных гетерополимерных ПОА по сравнению с высококристалличным полиоксибутиратом и фрагментарность данных по кинетике биодеструкции в биологических средах делают эти вопросы первоочередными для исследований.

Нельзя не отметить, что биомедицинские исследования полиоксиалканоатов до последних лет выполнялись исключительно за рубежом с применением препаратов Biopol®, DegraPol/btc®, производимых известными фирмами. В России целенаправленные медикобиологические исследования ПОА начаты Институтом биофизики СО РАН совместно с НИИТ и ИО МЗ РФ в конце 90-х гг.

10

Глава 1. МАТЕРИАЛЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

1.1. Общие представления о биосовместимых материалах

Исследования в области материалов медицинского назначения являются одним из актуальных направлений на стыке химии высокомолекулярных соединений, физической химии, молекулярной биологии, биофизики и медицины и включают в себя следующие взаимосвязанные задачи:

–изучение механизма взаимодействия биоматериалов с кровью

иее компонентами;

–разработку количественных методов оценки физикохимических и медико-технических свойств биоматериалов и изделий из них;

–разработку новых материалов или методов их модификации;

–экспериментально-клиническое применение материалов и изделий для контакта с кровью.

Материалы медицинского назначения (синонимы: биоматериалы, медицинские материалы, биомедицинские материалы) с необходимым комплексом физико-химических и механических свойств, должны быть биосовместимы с тканями организма, кровью и другими биологическими средами. В 1994 г. под термином «биосовместимость» было предложено понимать способность материала, изделий или устройств выполнять свои функции без заметной клинической реакции «хозяина» (Klinkmann and Davison, 1994).

При разработке медицинских изделий используют широкий круг материалов естественного и искусственного происхождения, в том числе, синтетические полимерные, биополимеры, металлы, керамику, гидроксиапатиты, углерод, биоткани и гибридные (биоискусственные), основанные на комбинированном использовании биоматериалов и функционирующих клеток различных тканей и органов.

Биосовместимые материалы, предназначенные для контакта с кровью, выделяют в группу гемосовместимых материалов, т. е. материалов совместимых с кровью. Необходимо подчеркнуть, что все гемосовместимые материалы являются биосовместимыми, но не каждый биосовместимый материал можно использовать для контакта с кровью. Так, биосовместимость металлокерамики или сплавов, используемых для изготовления штифтов, ортопедических или стоматологических протезов, не означает, что эти материалы не будут, например, провоцировать изменения клеточного состава крови.

11

Суммируя существующие представления о характере взаимодействия чужеродного материала с биологическими структурами организма человека (Вильямс, Рауф, 1978; Полимеры медицинского назначения, 1981; Biocompatibility Polymers, Metals, and Composites,

1983; Севастьянов и др., 1987; Пхакадзе, 1990; Искусственные органы, 1990; Биосовместимость, 1999), можно сформулировать основные требования, предъявляемые к биологическим свойствам изделий, предназначенных для контакта с кровью.

Гемосовместимые медицинские изделия не должны:

–оказывать токсического, аллергического и воспалительного действия;

–активировать ферментные системы (свертывающую, фибринолитическую, систему комплемента);

–оказывать отрицательное действие на белковые и форменные элементы крови, а также органы и ткани;

–вызывать антигенный и канцерогенный ответ;

–вызывать отклонения в системе метаболизма;

–провоцировать развитие инфекции;

–нарушать электролитический баланс;

–изменять свои медико-технические свойства в процессе нежелательной кальцификации и (или) биодеградации.

К характерным и наиболее ярким признакам отсутствия гемосовместимости медицинских изделий относится появление индуцированных их поверхностью тромбов и тромбоэмболий. В связи с этим, иногда термин «гемосовместимые» изделия (материалы, покрытия) заменяют на термин «тромборезистентные» («атромбогенные»), а вместо выражения «не гемосовместимые» изделия, используют термин «тромбогенные», что не является корректной заменой. В последующих главах будет показано, что не существует строгого соответствия между характером реакций различных компонентов крови на инородное тело. При отсутствии, например, признаков активации свертывающей системы крови (свойство тромборезистентной (атромбогенной) поверхности), могут наблюдаться активация системы комплемента или реакция нейтрофилов. Следовательно, тромборезистентность является только одним из признаков гемосовместимости изделия, контактирующего с кровью, который определяется характером его взаимодействия с организмом человека на молекулярном, клеточном и системном уровнях.

Биосовместимость медицинских изделий зависит от ряда факторов: физико-химических свойств входящих в их состав материалов, конструкции и технологии изготовления и условий функционирования изделий, состояния пациента. Тем не менее, в реальной ситуации медико-биологические свойства конкретного изделия будут

12

Таблица 1.1 Возможные эффекты взаимодействия полимерных материалов

с биологическими средами (Севастьянов, 1990; Биосовместимость, 1999)

определяться в основном характером взаимодействия биоматериалов с тканями и кровью.

Следует подчеркнуть, что степень взаимного воздействия конкретного биоматериала и крови зависит от времени функционирования изделия (таблица 1.1). Поэтому при исследовании физикохимических и биологических свойств материала, предназначенного для изготовления того или иного устройства, необходимо учитывать сроки его эксплуатации.

1.2. Основные подходы к созданию биосовместимых материалов

Значительные успехи, достигнутые в фундаментальных и прикладных областях биоматериаловедения – междисциплинарной науке о материалах, используемых в биологии и медицине, стимулировали разработку и клиническое применение различных изделий, систем и устройств медицинского назначения. Вместе с тем, несмотря на проводимые в течение последних 30 лет исследования, пока еще не удалось создать искусственный материал, полностью совместимый с живым организмом.

Тем не менее, удалось достичь существенных успехов в области разработок новых биоматериалов и методов модификаций; экст-

13

ракорпоральных устройств и имплантантируемых искусственных органов. Это позволило улучшить или спасти жизнь миллионов людей.

Так, в 2001 г. в мире ежедневно проводили около 3000 операций с применением аппаратов искусственного кровообращения, и было продано более 250 млн. различных имплантатов для сердечнососудистой хирургии. Всего в различных странах в 2001 г. было проведено не менее 400 000 имплантаций клапанов сердца, 1500 искусственных желудочков сердца (ИЖС), 600 000 протезов кровеносных сосудов малого диаметра. Наибольший рост числа имплантаций в ближайшие годы (от 40 и более %%) ожидается для ИЖС, в основном, как промежуточного этапа пересадки сердца.

В таблице 1.2 приведен перечень основных подходов к созданию медицинских материалов, основанных на существующих представлениях и гипотезах о механизме взаимодействия чужеродной поверхности с кровью и тканями организма (Sevastianov, 1991; Биосовместимость, 1999).

Заметим, что обширный перечень методов для повышения ме- дико-технических свойств материалов и изделий не столько свидетельствует в пользу решения проблемы их биосовместимости, сколько подчеркивает основные трудности, возникающие на пути моделирования структуры и функций естественных тканей и органов.

Таблица 1.2 Основные подходы к созданию материалов медицинского назначения

(Sevastianov, 1991; Биосовместимость, 1999)

14

1.3. Области применения искусственных материалов

С каждым годом расширяется номенклатура биоматериалов в различных областях практического здравоохранения. Кратко рассмотрим ряд примеров использования биоматериалов в изделиях медицинского назначения.

1.3.1. Материалы для сердечно-сосудистой хирургии

Наиболее большую группу материалов медицинского назначения представляют собой материалы для сердечно-сосудистой хирургии (таблица 1.3).

Таблица 1.3 Биомедицинские материалы для сердечно-сосудистой хирургии

и область их применения (Senatore, 1988; Биосовместимость, 1999)

15

16

Области их применения достаточно широки, – это многосерийное производство изделий (например, мешков для хранения крови, игл и шприцев), изготовление изделий с более жесткими требованиями к гемосовместимости (например, внутрисосудистые катетеры), создание высокотехнологичных и требующих наукоемких исследований имплантируемых изделий малых серий (протезов кровеносных сосудов, искусственных клапанов сердца, систем искусственного и вспомогательного кровообращения и т. п.).

1.3.2. Материалы для протезов кровеносных сосудов

К гемосовместимым материалам, предназначенным для изготовления протезов кровеносных сосудов, особенно вен или артерий малого диаметра, предъявляются наиболее жесткие требования (Soldani, 1991; Tomizava, 1995). Гемосовместимость сосудистых протезов зависит не только от природы используемого материала и технологии изготовления протеза, но и от целого ряда таких факторов, как:

–конструкция и диаметр протеза;

–условия гемодинамики в области имплантации протеза;

–состояние пациента и характер процесса заживления раны после операции;

–вид анастомозов и тактики антитромбогенной терапии;

–физико-механические свойства, в частности, порозность и деформируемость в радиальном и продольном направлениях;

–развитие инфекции и других послеоперационных осложнений.

17

Тем не менее, реальной возможностью улучшения медикобиологических свойств сосудистых протезов является поиск материалов с улучшенными гемосовместимыми свойствами.

Исходя из типа материала природного или синтетического происхождения, современные коммерческие или лабораторные сосудистые протезы можно разбить на несколько групп, каждая из которых имеет свои недостатки и достоинства (Senatore, 1988; Биосовмести-

мость, 1999):

1)рассасывающиеся и биодеградируемые протезы из полилактина 910, смеси полиуретана и поли-L-лактида,

2)ксенопротезы на основе кровеносных сосудов крупного рогатого скота,

3)аллопротезы из бедренных вен,

4)полиэтилентетрафталатные (Dacron) протезы,

5)политетрафторэтиленовые (Teflon) протезы, включая фибриллярные политетрафторэтиленовые (Gore-Tex) протезы,

6)эластичные протезы из полиуретановых и дакроновых (тефлоновых) нитей,

7)тканые протезы из полиэтилентетрафталата с обработкой внутренней поверхности тетрафторэтиленом в режиме тлеющего плазменного разряда,

8)тканые велюровые протезы на основе полиэтилентетрафталата с полипропиленовой оболочкой,

9)протезы из композитных материалов на основе материала естественных кровеносных сосудов и дакроновых (тефлоновых) волокон,

10)протезы из коллагенсодержащих материалов,

11)биопротезы из пупочной вены человека,

12)дакроновые (тефлоновые) протезы, модифицированные гемосовместимыми гидрофобно-гидрофильными и (или) гепаринсодержащими полимерными покрытиями,

13)гибридные сосудистые протезы на основе смесей синтетического материала (полиуретан, полиакриламид, полиакриловая кислота, поливиниловый спирт) с фибрином или коллагеном.

Из синтетических протезов наибольшее распространение в кли-

нической практике в последние 15 лет получили сосудистые протезы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) (Биосовместимость, 1999). ПТФЭ – один из наиболее химически инертных полимерных материалов. При имплантации протезы из ПТФЭ вызывают минимальную реакцию окружающих тканей, а сам материал не изменяет свои ме- дико-биологические и физико-химические свойства. К отрицательным свойствам неармированных протезов из ПТФЭ следует отнести возможность развития аневризмы в аортальной позиции.

18

Одной из основных проблем остается отсутствие функционально надежных сосудистых протезов из синтетических материалов малого диаметра (не более 4.0 мм), необходимых для аортокоронарного шунтирования. Заметим, что все известные попытки создания сосудистых протезов малого диаметра основаны на поиске гемосовместимых биологических, синтетических или гибридных покрытий, обеспечивающих минимальную реакцию модифицированной внутренней поверхности протеза с кровью, а внешней – с тканями организма.

1.3.3. Синтетические биодеградируемые материалы

Биодеградируемыми биосовместимыми материалами называются материалы, способные разрушаться после определенного времени имплантации с образованием нетоксичных продуктов, которые выводятся организмом или усваиваются им. Наиболее перспективными областями применения таких материалов в медицине являются: биодеградируемые шовные нити, матрица для доставки лекарств в определенные участки организма, сердечно-сосудистые, стоматологические и ортопедические хирургические временные крепежные элементы (Липатова и Пхакадзе, 1983; Пхакадзе, 1990; Degradable Materials, 1990; Биосовместимость, 1999; Amass et al.,1999).

В таблице 1.4 перечислены современные биоабсорбируемые материалы, главным образом, на основе лактидов, гликолидов и их сополимеров, выпускаемые рядом зарубежных фирм. Основным фактором, сдерживающим клиническое применение новых биодеградируемых материалов, является проблема регулируемости и контролируемости процессов их биодеструкции в реальных условиях организма. Наиболее изученными в этом плане являются полиуретаны. Было показано, что деструкция медицинского полиуретанового клея КЛ-3 в организме происходит, как по пути неферментативного гидролиза, так и клеточным путем (Пхакадзе Г. А., 1990). При этом резорбция полимерного материала протекает клеточным путем и связана, в основном, с двумя типами клеток – макрофагами, осуществляющими фагоцитоз мельчайших частиц полимера, и гигантскими клетками инородных тел, вызывающими его лизис. «Доля» клеточного компонента биодеструкции обычно тем более выражена, чем больше развита поверхность полимера, например, у перистогубчатых имплантатов, или на поздних этапах деструкции полимеров, когда поверхность имплантата увеличивается за счет эрозии. Эта закономерность сохраняется и для полиуретанов тривиального состава, как правило, подвергающихся неферментативному гидролизу, и для полиуретанов со «слабыми звеньями» (сложные эфирные группы, полисахаридные звенья), способных подвергаться ферментативному расщеплению (Пхакадзе Г. А., 1990).

19