Про проблематики в області полімерів медичного призначення - полімери медичного призначення
Очевидно, що результативність науково-дослідних робіт по створенню, удосконаленню та використання штучних органів залежить не тільки від успіхів медицини, але і від активності в широких областях всіх природних наук, а також техніки та технології, причому саме сукупність усіх зусиль є визначальним моментом.
У список речовин, отримання яких необхідно для подальшої розробки штучних органів, слід внести такі матеріали:
- біологічні, сумісні з живим організмом;
- володіють антітромбогеннимі властивостями;
- штучні діалізної-дифузні плівкові;
- адсорбенти;
- речовини, які переносять кисень;
- матеріали для мікрокапсул;
- волокнисті матеріали *;
- пружно-еластичні матеріали, стійкі до стирання;
- високотехнологічні матеріали, здатні до повторного використання;
- клеї для з`єднання живих тканин (біоклеі);
- композиційні матеріали.
* Маються на увазі матеріали, текстура яких волокниста по всьому об`єму. - Прим. перев.
Безсумнівно, що, крім цих матеріалів, необхідно розробити способи та методологію їх випробувань і оцінки, створити відповідні технологію і апаратуру. До числа найбільш перспективних методів, які заслуговують на увагу і подальшого розвитку, відносяться, зокрема, скринінг антітромбогенних матеріалів in vitro, скринінг на канцерогенність і алергенність в культурі клітин, а також вивчення біодеградаціонних змін в біологічній системі за допомогою імітаційного моделювання живого організму.
Взагалі для розробки штучних органів проблема матеріалу є основоположною, і подальший прогрес явно немислимий без її дозволу.
Основні вимоги, яким повинен задовольняти матеріал медичного призначення, можна коротко сформулювати наступним чином: матеріал повинен бути абсолютно нешкідливим для організму, не бути канцерогеном або алергеном, що не зазнавати змін в часі і не викликати денатурацію, легко піддаватися обробці і володіти бактерицидною дією.
Крім того, в залежності від специфіки того чи іншого штучного органу матеріал повинен бути стійким до стирання, не викликати тромбозів і емболії, бути здатним до утворення плівок, зокрема дифузних, служити в якості адсорбенту або носія кисню. Він повинен відповідати і багатьом іншим вимогам.
Підхід до полімерних матеріалів в медичному аспекті дозволяє стверджувати, що найбільш інтенсивне їх розвиток піде за кількома основними напрямками. Перспективи і терміни такого розвитку ілюструються табл. 2.
У загальних рисах проблематику всіх робіт можна звести до 11 пунктів, що розглядаються нижче в конспективному викладі.
- Біологічно сумісні матеріали. До таких матеріалів відносяться речовини, які, будучи вживлені в організм, перебувають в ньому протягом тривалого часу, не викликаючи жодних реакцій. Вже знайшли досить широке застосування силікон, тефлон, полікарбонати, поліетилен, гідрогелю та інші синтетичні полімерні матеріали, а також деякі метали, наприклад, спеціальні сорти нержавіючої сталі і титан. Матеріалу, який був би абсолютно інертний по відношенню до живого організму, в даний час, як відомо, немає. Інакше кажучи, як і вона була природа речовини, в якому б кількості воно ні використовувалося, рано чи пізно, локально або по всьому організму, воно неминуче викличе біологічну реакцію.
Можна стверджувати, що скоро виникне необхідність в аналітичних дослідженнях біополімерів, у фундаментальній інформації про форми і природі взаємодії різних полімерів всередині живого організму, про сприятливі або дисгармонійних поєднаннях їх гідрофільності, гідрофобності та інших специфічних властивостей. Дослідження полімерів, що імплантуються в організм, з точки зору їх канцерогенності і здатності викликати ті чи інші аномалії є надзвичайно складним з огляду на те, що дуже велика тривалість зоологічних експеріментов- разом з тим важливість таких досліджень безсумнівна. Слід додати, що схильність полімеру викликати аномальні явища може бути визначена також при розгляді його взаємодії з клітиною культури тканин.
- Антітромбогенние матеріали. У зв`язку з проблемою створення штучних органів в світі проведені численні фундаментальні дослідження, присвячені антітромбогенності матеріалів, і вже накопичена досить велика інформація по цій темі. Разом з тим, за сучасними уявленнями, має пройти не менше 20 років, перш ніж вдасться довести матеріали до такого рівня, щоб використання їх в кровоносних судинах або в серце живого організму не викликало згортання крові.
Таблиця 2. Перспективний план досліджень і розробок в області полімерних матеріалів для створення штучних органів людського тіла
(За даними Департаменту науки і техніки, 1976)
Проте, коли штучний орган використовується один або кілька разів, питання вирішується досить просто шляхом введення гепарину або іншого тромбозоподавляющего агента- крім того, розробляються речовини, термін використання яких досягає декількох місяців. Таким чином, перспективи отримання необхідного матеріалу, що володіє антітромбогеннимі властивостями, можна розцінювати як цілком реальні.
Зрозуміло, що необхідні численні дослідження в області отримання ложновнутренніх діафрагм з гладкою поверхнею, що несуть електростатичні заряди, здатних седіментіровать фібрин і володіють комплексом інших властивостей-в області хімічного зв`язування таких діафрагм з агентами, які продукують гепарин і його аналоги, і в інших областях і напрямках. За суттю своєю всі ці роботи повинні, мабуть, перерости в дослідження молекулярного проектування, засноване на розшифровці механізму згортання крові. Разом з тим ще не витлумачені реальні умови тромбоутворення на поверхні матеріалу, і необхідні фундаментальні дослідження в цьому напрямку.
Відео: Технічна конопля - найперспективніші матеріали 21 століття, як організувати нову індустрію?
- Діалізної-дифузні мембрани. Відомо, що для нирки, печінки та інших штучних органів необхідні діалізних плівки, що виводять сечовину, креатинін та інші шкідливі речовини, проте в даний час досягнення діалізного ефекту у речовин з макромолекулами ще більшого розміру поки залишається проблемою. Цілком ймовірно, незабаром виникне необхідність в розробці мембран з довільним діаметром діалізних пір, а також діафрагм, здатних вибірково пропускати ті чи інші речовини не за величиною молекул, але в залежності від їх природи і властивостей-потрібні і такі плівки, які були б здатні спочатку профільтрувати субстанцію, а потім ресорбіровать її.
У штучних легенів диафрагмального типу обмін кисню і вуглекислого газу досягається за допомогою діалізних мембран- останні зазвичай виконують з силікону і аналогічних йому матеріалів. На сучасній стадії ефективність процесу жодним чином не може бути названа ідеальною, і якщо в подальшому почнеться розробка портативних штучних легенів, необхідно буде досліджувати діафрагми в фізичному і хімічному аспектах і вивчити процеси хімічного зв`язування їх з каталізаторами і іншими речовинами.
Відео: На виставці "відкриті інновації" Томич представили біорозкладні полімери для мед. призначення
- Адсорбенти. Починаючи від адсорбції креатиніну в штучній нирці, аміаку в штучної печінки і аналогічних процесів використання перфузії крові під впливом адсорбентів привертає все більшу увагу. В даний час використовуються переважно активоване вугілля, цирконій і іонообмінні смоли. Зрозуміло, що необхідні також розробки нових адсорбирующих матеріалів на основі нових функціональних полімерів, що діють за іншим механізмам.
- Речовини, які переносять кисень. Як відомо, в живому організмі гемоглобін еритроцитів зв`язує кисень, що надходить з легких, а потім переносить його в циркулюючому струмі крові в усі ділянки тіла-тут в залежності від змін парціального тиску кисню навколишнього середовища еритроцити звільняють кисень. Мабуть, отримання транспортує кисень речовини стане заключним етапом створення штучної крові. Якщо ж розробки функціональних полімерів такого типу будуть доведені до рівня штучної клітини, що здійснює процес метаболізму, то, цілком ймовірно, вдасться отримати фундаментальну інформацію про синтез самого життя, її розшифровці і тлумаченні.
Разом з тим в даний час розробки ведуться лише в таких областях, як капсульне захисне покриття еритроцитів крові тварин і людей, розчинення кисню до високої концентрації, наприклад, фторованими вуглеводнями, або ж, нарешті, хімічне зв`язування штучних високомолекулярних речовин з гемом еритроцитів тварин. Зрозуміло, що вся ця діяльність є лише самій початковій стадією на шляху отримання штучної крові як такої, і в подальшому необхідні широкі науково-дослідні роботи набагато більше спільного, універсального профілю.
- Матеріали для мікрокапсул. Будь то адсорбент або переносник кисню, для перфузії всередині потоку крові бажано укласти його в капсулу, що має розміри близько мікронів. Згортання крові під дією таких речовин, як і в багатьох інших випадках, обумовлюється високою в`язкістю, що перешкоджає їх проходженню через капіляр. Як мікрокапсульного матеріалів в таких випадках успішно використовуються кремнійорганічні полімерні сполуки і сироватковий альбумін, однак подальші розробки вкрай бажані на увазі потреби в пружно-еластичному матеріалі, що володіє високою диффузностью, легко піддається обробці і не викликає денатуровані і інших змін укладеного в ньому речовини в розчині .
Такий матеріал буде в повному сенсі фундаментом для створення штучної клітини.
Відео: JJG BioPlast_rus
- Волокнисті матеріали. Вінілацетатних волокнисті матеріали, що працюють в штучній нирці, силіконові капіляри штучних легенів і аналогічні фрагменти інших штучних органів характеризуються високою ефективністю обміну речовин завдяки широкій площі контактування в мікропористих діафрагмах.
* Мається на увазі повністю волокниста текстура по всьому об`єму матеріалу. - Прим. перев.
Такі фрагменти з волокнистих матеріалів легко піддаються мініатюризації, органи набувають компактність, і тому подальші роботи по цій темі треба визнати вельми перспективними.
Крім того, відомі успішні експерименти з розробки штучної підшлункової залози, що складаються в тому, що спочатку на зовнішній поверхні волокнистого матеріалу вирощують бета-клітини і інші атрибути залози, а потім за посередництвом діафрагми з такого матеріалу штучно здійснюють функцію інсулінового секрету.
Результати досліджень дозволяють розраховувати, що в майбутньому вдасться поширити дію волокнистих матеріалів такого типу ще й на сферу штучного метаболізму внутрішньої секреції.
- Пружно-еластичні матеріали, стійкі до стирання. Для самих різних штучних органів - кісток, суглобів, серця, клапанів - характерно, що сфера використання матеріалів, стійких до стирання і володіють пружною еластичністю, завжди досить широка. Особливо для створення штучних кісток і суглобів вкрай бажані подальші розробки полімерних матеріалів, що володіють сприятливим комплексом фізико-механічних характеристик.
- Матеріали повторного використання. У живому організмі міститься безліч вельми досконалих за своїми властивостями речовин і матеріалів-будучи повторно реалізовані у формі штучних органів, вони мають назву біодеградірованних матеріалів. Йдеться, наприклад, про штучні клапанах, отриманих хімічною обробкою природних клапанів або створених з твердої мозкової оболонки, про штучне насосі серця, виконаному з навколосерцевої сумки, і про багатьох інших органах. В даний час ведуться експерименти по використанню штучної нирки, що функціонує за допомогою колагенової мембрани- остання отримана хімічною обробкою колагену, велика кількість якого міститься в колагенових тканинах тварин. Зрозуміло, що подальші дослідження в цій області повинні бути спрямовані на очищення і переробку природних матеріалів.
- Біологічні клеї. Спеціальні біологічні клеї використовуються для з`єднання шкіри, тканинних фрагментів, кровоносних судин, кишечника та інших органів і їх частин. Крім того, створюються або намічені до розробки нові різновиди біоклеев для з`єднання штучних органів, наприклад, кровоносних судин, сечоводу, жовчних проток з живим тілом або для склеювання штучних клапанів з природним серцем.
Відео: На Ставропіллі відкривається сучасний центр по переробки відходів
Особливо необхідні такі різновиди біоклеев, як швидко схоплює, а також клеї миттєвої дії для використання всередині біологічних систем, що містять конституційні рідкі середовища. Дуже велика також потреба в клеях, які не виділяють тепла, що не продукують шкідливих речовин, не реагують з живою субстанцією, що не деградують під час перебування в організмі і мають інші сприятливими властивостями.
- Композиції полімерних матеріалів. Різні композиції на основі полімерів створюються, наприклад, варіюванням поєднань синтетичних полімерів єдиного гомологічного ряду, синтетичного полімеру з металом або ж биополимера з металом або зі штучним полімером, т. Е. Використовуються всілякі поєднання і комбінації. Суть всіх експериментів зводиться до того, що отримання композицій з новими властивостями дозволяє знаходити і виробляти матеріали, здатні виконувати принципово нові функції. За всіма передумовами, для розвитку досліджень в цій області необхідний науково обгрунтований, суворо систематизований підхід, який спирається на традиційну техніку, з використанням вже накопиченої інформації на стиках суміжних наук.
Вище були конспективно викладені сенс, сучасний стан, загальна проблематика і перспективи розвитку полімерів медичного призначення - переважно синтетичних високомолекулярних матеріалів для створення штучних органів людського тіла. Слід лише додати, що прогрес макромолекулярной хімії медичного профілю і зростаючі масштаби використання її продуктів у багатьох інших сферах науки і техніки без сумніву викличуть до життя новий науковий напрям, дуже важливе і перспективне.
