полимеры и медицина

Новейшая область химии — химия высокомолекулярных соеди­нений— дает медицине возможность подняться на еще одну ка­чественно высшую ступень. Синтетические полимеры в течение ко­роткого периода времени вторглись в мир человека, поэтому XX век принято называть «веком полимеров».

Началом применения полимерных материалов в медицине сле­дует считать 1788 г., когда А. М. Шумлянский применил каучук. Fraenkel (1895) впервые использовал искусственный полимер-целлулоид для закрытия костных дефектов после операций на черепе, что положило начало аллопластике — использованию раз­личных материалов для замены живых тканей.

Большой опыт, накопленный многими исследователями по при­менению полимеров в различных областях медицинской практики, позволяет условно разделить полимеры в зависимости от того, ка­кие требования предъявляет к ним медицина:

I группа. Полимерные материалы, предназначенные для вве­дения в организм:

- «внутренние» протезы, пломбы, искусственные органы;

- клеи;

- шовный и перевязочный материалы;

- плазмо - и кровезаменители, дезинтоксикаторы, интерфероногены, антидоты;

- лекарственные препараты, изготовленные на основе поли­меров (в том числе — ионитов);

- полимеры, используемые в технологии лекарственных форм (защитные пленки, капсулы и микрокапсулы, вспомогательные вещества и т. п.).

II группа. Полимерные материалы, контактирующие с тканями организма, а также с веществами, которые в него вводятся:

- тара для упаковки и хранения лекарственных средств, крови и плазмозаменителей;

- полимеры, применяемые в стоматологии (кроме пломб);

- хирургический инструментарий, шприцы;

- узлы и детали для медицинских аппаратов и приборов, в том числе — полупроницаемые мембраны.

III группа. Полимерные материалы, не предназначенные для введения и не контактирующие с веществами, вводимыми в орга­низм:

- полимеры, применяемые в анатомии и гистологии;

- предметы ухода за больными;

- лабораторная посуда, штативы и т. п.;

- оборудование операционных и больниц;

- оправы и линзы для очков;

- протезно-ортопедические изделия (в том числе - обувь);

- больничные одежда, белье, постельные принадлежности.

Полимеры 1-й группы предназначены для имплантации в организм на различные сроки. Сюда относятся протезы кровеносных сосудов, клапаны сердца, протезы пищевода, мочевого пузыря, уретры, хрусталика глаза, протезы для замещения дефектов скелета и мягких тканей, штифты, пластинки для фиксации костей при переломах, полимерные сетчатые каркасы для соединения кишок, сухожилий, трахей.

К полимерам, применяемым для изготовления протезов внутренних ор­ганов, предъявляются жесткие требования. Главнейшие из них - длитель­ное сохранение основных физико-механических свойств в условиях посто­янного воздействия ферментативной системы живого организма; биологи­ческая инертность, обусловливающая легкую адаптацию организма к имп­лантанту, проявляющуюся в его инкапсуляции. Наиболее успешно применя­ются полиакрилаты - полимеры на основе производных акриловой и метакриловой кислот для целей аллопластики:

CH₃ C₂H₅

| |

-CH₂^_CH^_ -CH₂^_C^_ -CH₂^_CH^{_ _}CH^__C^_

| | | | |

COOH n COOH n CN n OH COOCH₃ n

полиакрилат полиметилакрилат полиакрилонитрил полигидроксиэтилкрилат

CH₃ CH₃

| |

n CH₂=C → -CH₂^_C^_

| |

COOCH₃ COOCH₃ n

метилметакрилат полиметилметакрилат

У нас в стране с 1946 г полиметилакрилат применяется в клинике Центрального института и ортопедии при артропластике тазобедренного сустава и остеосинтезе, для замещения дефектов костей черепа.

В 1952 г. у нас в стране М. В. Шеляховский при операциях грыж передней брюшной стенки применил перфорированные пла­стинки из фторопласта-4.

F F

| |

n CF₂=CF₂ → ^_С ^_ С^_

| |

F F n

В последующие годы для этих же це­лей, а также для пластики диафрагмы использовали капроновую сетку (поликонденсат аминокапроновой кислоты):

O O

|| ||

n NH₂^_(CH₂)₅^_C^_OH → …^_NH^_(CH₂)₅^_C^_NH^_(CH₂)₅^_C^_ … + n H₂O

||

O

Были получены также более совершенные сосудистые протезы из лавсана, синтезируемого методом поликонденсации терефталевой кислоты с этиленгликолем, и фторопласта- 3 и- 4:

_{___}

n HOOC- COOH + n HO^_CH₂^_CH₂^_OH _{-2n H2O} [^_OC CO^_O^_CH₂^_CH₂^_O^_]_n

лавсан

F F F F

| | | |

n СF₂=СF₂ → ^_С^_С^_ n СFСI=СF₂ ^_С^_С^_

| | | |

F F n F CI

Фторопласт – 4 фторопласт-3

Теперь широко применяются плетеные, вязаные и тканые со­судистые протезы марок ПЛ-72-60 и ТТЛ-62, изготовленные из лавсана.

Полиэфирные протезы кровеносных сосудов хорошо вживля­ются в организм и дают стойкий лечебный эффект на 4—5 лет. Перспективны протезы из бактерицидных тканей — летилена, биолана и йодина. Сетки из этих же полимеров, а также марлекса (сополимера этилена с изобутиленом) оказались наиболее пригодным материалом для пластических операций при закрытии грыжевых дефектов. В последнее время успешно решен и один из сложнейших вопросов хирургии — протезирование сердечных кла­панов. Если вначале инженеры и хирурги пытались имитировать природный клапан в виде трех лепестков из фторопластов или полиэфирных волокон, то в последнее время трудами коллективов целого ряда институтов страны создан надежно работающий шариковый клапан из фторопласта (см. выше) и кремнийорганического каучука, полностью отвечающий высоким тре­бованиям.

Важнейшим представителем класса кремнийорганических полимеров является полидиметилсилоксан (силиконовый каучук):

CH₃

|

^__Si^__O^__

|

CH_{3 n}

Одним из самых примечательных свойств силиконовых каучуков явля­ется их физиологическая инертность, они не имеют ни запаха, ни вкуса, обладают непревзойденными свойствами по проницаемости по отношению к кислороду и углекислому газу, что позволяет их использовать в качестве мембран для оксигенаторов. Интересным качеством вулканизаторов из си­ликоновых каучуков является их способность не прилипать к липким по­верхностям. Они обладают удовлетворительной совместимостью с кровью, а при модификации поверхности не вызывают свертывания крови. Силиконовые резины на основе полидиметилсилоксана не вызывают тканевых реакций, поэтому их используют как материалы для имплантации.

Полисилоксаны не поддерживают роста бактерий. Они не травмируют живые ткани. Полисилоксановые протезы позволяют восстановить уровень работоспособности рук, пораженных полиартритом.

В России сделан ряд успешных операций с заменой митральных и аортальных клапанов шариковым протезом.

В этой области предстоят еще большие работы по поискам подходящих полимеров и созданию конструкции для успешного протезирования суставов, полых органов, костей, мягких тканей, сухожилий, связок и т. д. К этой группе относятся также протезы, предназначенные для временного нахождения в организме, до срастания или регенерации ткани, после чего они должны пол­ностью рассасываться. Это — различные штифты, пластинки для временной фиксации костей при переломах, а также кольца, втулки и другие приспособления, выполняющие роль каркасов для соединения кишок, кровеносных сосудов, нервов, сухожилий. К этой группе материалов предъявляется большой комплекс требований, основными из которых являются: полная безвредность для орга­низма, рассасываемость в заданные сроки (от 14 дней до года), сохранение свойств при стерилизации, легкость моделирования, достаточная прочность. Такие полимеры, относящиеся к этой группе, наименее изучены, их еще очень мало.

Дли изготовления жестких протезов типа кишечных втулок, костных штифтом и т. д. экспериментально изучается привитый сополимер желатина с акрилонитрилом, способный рассасываться (практически без набухания) в различные сроки (регулируется содержанием акрилонитрилом ).

-CH₂^_CH^_

|

CN n

полиакрилонитрил

Для создания эластичных протезов внутренних органов (пищевода, трахеи, кровеносных сосудов и т. д.), вероятно, будет пригодна одна из рецептур полиуретановых каучуков.

Полиуретаны — продукты синтеза полиизоцианатов с полиспир­тами.

В реакции участвует как минимум два полифункциональных мономера, один из которых имеет подвижный водород, а другой – группы, способные принять его:

O

|| HO^_R^_OH

HO^_R^_OH + O=C=N^_R^*_N=C=O → HO^_R^_O^_C^_NH^_R^*-N=C=O + O=C=N^_R^*=C=O

гликоль диизоцианат

O O O

|| || ||

→ HO^_R^_O^_ [^_C^_NH^_R^*-NH^_С^_OR^_O^_] _n ^_C^_NH^_R^*_N=C=O

полиуретан

O

||

Полиуретаны имеют в своем составе сильно полярные уретановые группы О^_С^_NH^_. Их свойства в значительной мере определяются расстоянием между уретановыми группами в макромолекуле.

Известно большое количество полимеров этого класса соеди­нений с самыми разнообразными свойствами. Этим полиуретаны завоевали репутацию достаточно перспективных для применения в медицине. Они легче воды, устойчивы к действию щелочей и сла­бых кислот.

Распространение получили пенополиуретаны — губчатые пла­стики. Выпускаются жесткие и эластичные пенопласты с разными по величине порами и различной механической прочностью. Они чрезвычайно легки, эластичны, структуростабильны, химически и физиологически инертны, хорошо впитывают влагу, применяются для пломбировки околопочечного пространства при урологических операциях.

Широкое применение нашли полимеры в ортопедической стоматологии – протезировании. Как известно, зубные протезы должны быть изготовлены по моделям с особой точностью, отражающей форму челюсти, а также положение и форму зубов. Модель готовится по негативному отпечатку челюсти и зубов, который получают с помощью оттисков и слепков.

Для получения слепков используют различные материалы, в том числе и полимерные.

Впервые для этих целей применили гуттаперчу (С₅Н₈)₂ , однако она обладает целым рядом существенных недостатков.

В настоящее время предложены различные рецептуры материала для получения слепков из акриловых полимеров и из эпоксидных смол.

Пломбировочные материалы на основе акриловых сополимеров.

Быстротвердеющие пластмассы па основе акриловых со­полимеров (со­полимеры – полимеры, содержащие несколько типов мономерных звеньев и получаемые путем совместной полимеризации двух или большего числа мономеров) явились одними из первых сополимерных пломбировочных материалов. Начиная с 50-х годов у нас в стране и за рубежом были выпущены различные марки этих материалов: портекс, стеллон, норакрил. Возможность затвердения этих композиций при комнатной температуре обусловлена введением в их состав

окислительно-восстановительных систем, состоящих из инициаторов и активаторов.

Норакрил-65. Норакрил-65 применяется в терапевти­ческой стоматологии для пломбирования, восстановления углов и краев зубов. Норакрил-65 представляет собой ма­териал акриловой группы типа порошок - жидкость, отверждающийся при комнатной температуре. Материал характеризуется некоторой пластичностью, ускоренным сроком схватывания (7—8 мин в полости рта). Отвержде­ние пластмассы норакрил-65 при комнатной температуре происходит вследствие полимеризации метилметакрилата, инициируемой бензосульфиновой кислотой и окислительно-восстановительной системой перекись бензоила-диметилпаратолуидин. При смешивании порошка с жидко­стью протекают следующие реакции:

а) бензосульфиновокислый натрий взаимодействует с метакриловой кислотой с образованием свободной бензосульфиновой кислоты:

C₆H₅SO₂Na + CH₂ =C ^_COOH → C₆H₅SO₂H + CH₂= C ^_COONa

| |

CH₃ CH₃

б) бензосульфиновая кислота неустойчива, легко окис­ляется кислородом воздуха в бензосульфановую кислоту, при этом образуется радикал атомарного кислорода:

C₆H₅SO₂H + O₂ → C₆H₅SO₃H + O^.

который инициирует рост сополимерных цепей (мет)акриловых мономеров. Цепная реакция, инициируемая бензосульфиновой кислотой, интенсивнее протекает при тем­пературе 40" С. Добавление редокс-системы (перекись бензоила - диметилпаратолуидин) увеличивает эффек­тивность инициирования системы и приводит к более полной сополимеризации мономеров при более низкой температуре и за более короткий срок.

Предполагается следующий механизм разложения пе­рекиси бензоила в присутствии диметилпаратолуидина:

+ 2 C₆H₅COO ^-- →

→ + C₆H₅COOH + C₆H₅COO ^.

Бензоатные радикалы присоединяются к месту двойной связи метилметакрилата, давая начало роста полимерной цепи:

COOCH₃

|

C₆H₅COO ^. + n(CH₂=C^_COOCH₃) → C₆H₅COO ^_(^_ CH₂ ^_C ^_)_n

| |

CH₃ CH₃

Применение в качестве ускорителя полимеризации сульфоновых кислот и незначительного количества диметилпаратолуидина обеспечивает образование цветостойких полимеров, что имеет большое значение для пломбировочных материалов.

Пломбировочные материалы на основе эпоксидных сополимеров

Вопросы создания и клинического изучения пломбировоч­ных материалов на основе эпоксидных сополимеров доста­точно полно изложены в монографии Б. Я. Горового и В. С. Иванова (1973). Впервые эпоксидные композиции были разработаны и предложены для зубоврачебной практики швейцарским доктором II. Кастан и другими сотрудниками фирмы «де Трей» в 1934—1938 гг. Эпоксидные смолы получают в результате реакции поликонденсации энихлоргидрина с дифенилолпропаном или резорцином в различных агрегатных состояниях - в виде жидких, вязких и твердых продуктов. В случае использо­вания дифенилолпропана получаются диановые смолы, а в случае использования резорцина резорциновые. В этой связи заслуживает упоминания имя русского уче­ного А. ТТ. Дианина, впервые получившего и 1891 г. это соединение: в его честь эти смолы и получили название диановые. В различных отраслях промышленности в настоящее вре­мя применяются главным образом диановые смолы, кото­рые в отличие от резорциновых обладают меньшей ток­сичностью, большей доступностью и дешевизной исход­ных продуктов синтеза.

Эпоксидно-диановые смолы получают в результате реакций конденсации дифенилолпропана и эпилхлоргидрина:

CH₃

|

HO ^_C OH + CH₂^_CH^_CH₂CI

| \ /

CH₃ O

↓

CH₃ CH₃

| |

CH₂^_CH^_CH₂^_O C [^_O ^_CH₂^_CH^_CH₂ ^_O^_ C^{_ _}] _n ^_O^_CH₂^_CH^_CH₂

\ / | | | \ /

O CH₃ OH CH₃ O

Эпоксидно-диановые смолы обладают наиболее универсальными свойствами (по сравнению с другими эпоксидными смолами) и получаются из дешевого и весьма доступного сырья (продуктов переработки нефти). Полезные свойства, определяющие широкое применение эпоксидно-диановых смол как основы для разнообразных материалов (связующие, клеи, покрытия, герметики и др.), могут быть охарактеризованы следующим образом:

1. высокая адгезия (явление соединения (прилипания) приведенных в контакт поверхностей фаз) ко всем полярным материалам (металлы, стекло, керамика, дентин и эмаль зубов). Это свойство эпоксидно-диановых смол обеспечивается наличием гидроксильных и простых эфирных группировок.

2. механическая прочность, обусловленная высокой концентрацией сравнительно жестких дифенилолпропановых блоков, содержащих ароматические ядра, в сочетании с группировкой ^__O^__CH₂^__CH^__CH₂^__O^__ ,

|

OH

которая способствует релаксации механических напряжений в полимере.

3. стойкость к воздействию влаги и агрессивных сред объясняется наличием большого количества ароматических ядер, повышающих химическую стойкость полиме­ров, а также устойчивость простых эфирных связей.

4. малая усадка при переходе из жидкого состояния и твердое определяется особенностью стереохимии раскры­тия эпоксидной группы, при которой объем вещества меняется незначительно (по сравнению, например, с полимеризацией по двойным связям акриловых моно­меров).

7