Вредное действие полимеров на организм - полимеры медицинского назначения

Из всех отрицательных воздействий, оказываемых синтетическими материалами на живой организм, следует указать на интоксикацию. Ввиду того, что отравления возникают как следствие абсорбирования организмом обычных веществ, высокомолекулярные соединения как таковые не могут вызывать интоксикацию, (поскольку они не растворяются в жидкостях организма. В этой связи надо сразу же отметить, что изделия из полимеров обычно содержат (разнообразные низкомолекулярные примеси, остающиеся после производственно-технических процессов. Например, в результате синтеза и полимеризации остаются мономеры, растворители, катализаторы и побочные продукты реакций- после процессов обработки — пластификаторы, стабилизаторы, красители и наполнители- кроме того, могут оставаться стерилизаторы (бактерициды), пирогены и другие вещества. Допустимое (без вредных последствий) содержание таких примесей в организме, а также уровень их токсичности почти не поддаются точному определению. Понятно, что, если бы удалось получить полимер, абсолютно свободный от низкомолекулярных примесей, то материал из него можно было бы назвать совершенно безвредным, т. е. обладающим абсолютной биосовместимостью.

Таблица 22. Определение биосовместимости некоторых полимерных материалов по интенсивности ингибирующего действия на культуральное выращивание ткани

Условные обозначения: +1 — незначительное ингибирование роста ткани с образованием вакуолей- +2 — образование вакуолей, морфологические изменения, заметное ингибирование роста ткани- +3 — достаточно интенсивные процессы образования вакуолей и замедления роста ткани- + 4 — полное прекращение роста ткани.
Полное содержание СН3 и СН— в экстракте (по данным ИК спектроскопии) выражено в молях на 1/млн. часть в пересчете на н-гексанол.
В последнее время начали выпускать коммерческие изделия из полимеров так называемой «медицинской степени чистоты». Они, конечно, не полностью свободны от примесей, но в процессе их производства были использованы все известные способы очистки. Все же, несмотря на это, при использовании таких изделий, т. е. при контакте с живым организмом часто происходит совершенно непредвиденное разложение, свидетельствующее о наличии примесей. Таким образом, окончательно избавиться от них пока не удалось.
В табл. 22 приведены результаты лабораторных испытаний токсичности некоторых коммерческих полимеров медицинского назначения [1]. Каждый полимерный материал подвергали экстракции методом так называемого псевдовнеклеточного потока при температуре 120 °С и давлении 2,109 кг/см2, а затем определяли, насколько интенсивно полученный экстракт препятствует культуральному выращиванию ткани in vitro.
Отнюдь не следует, что результаты подобных реакций непосредственным образом отражают воздействие полимера на живое тело, однако из любого высокомолекулярного вещества в большем или меньшем объеме можно экстрагировать примеси, и,     следовательно, в той или иной мере полимер обязательно влияет на организм. Есть все основания утверждать, что степень такого влияния зависит не только, даже не столько от природы полимера, сколько от способа его синтеза и главное от технологии его переработки в конкретное медицинское изделие или препарат. Так, например, медикаменты из одного и того же полимера, приготовленного по различным технологическим схемам, по-разному влияют на организм. И все же в качестве общего вывода можно, пожалуй, утверждать, что силиконы и тефлон менее вредны для живого организма, чем нейлон и полиуретаны.
В отношении травмирования и канцерогенного воздействия полимера на живую ткань прослеживаются аналогичные корреляции, где определяющая роль принадлежит химическому составу и количеству экстрагируемых примесей. Однако здесь к ним прибавляется еще один фактор — чисто механическое действие, и это подтверждается многочисленными данными- они свидетельствуют о важнейшем значении физических динамических свойств, морфологии и строения поверхности полимерного материала.
Обобщить все перечисленные факторы и вывести единую всеобъемлющую теорию их воздействия на организм практически невозможно. Многообразие их лишь характеризует сложность проблемы в целом.

Отрицательное действие синтетических полимеров на кровь

Можно утверждать, что наиболее важным аспектом биологической совместимости полимеров является их сродство с кровью. Пока кровь протекает по естественным сосудам, процесс идет гладко и никаких проблем не возникает, однако применение аппарата «сердце — легкие» или искусственной почки сразу же вызывает необходимость отвода крови из организма и создания внеорганной циркуляционной цепи, а это чревато опасностью мгновенного свертывания крови в той или иной части цепи. Так, катетеризация кровеносных сосудов (для исследования состояния их поверхности или измерения кровяного давления) часто сопровождается образованием тромбов, которые облепляют катетер и в конечном счете закупоривают сосуд. Понятно, что способность крови свертываться и препятствовать тем самым гемофилии при травмировании сосудов есть одно из проявлений естественного регулирующего механизма, в частности адаптационной способности организма к внешним воздействиям. Однако при лечении с использованием искусственных материалов типа полимеров, при диагностировании и во многих других случаях такое свойство крови представляет значительные неудобства и помехи. Для преодоления их обычно используют антикоагулянты типа гепарина, впоследствии выделяемые из организма. Особенность действия последних состоит в том, что они лишают способности свертываться всю кровь, циркулирующую в биологической системе, и тем самым предельно облегчают ее выведение из организма. Вместе с тем здесь же таится и крайне серьезная опасность полной гемофилии, поэтому антикоагулянтами можно пользоваться лишь в течение очень короткого времени. Это, конечно, создает значительные неудобства. Таким образом, в высшей степени насущным является создание такого синтетического материала, который, во-первых, не нарушал бы естественного регулирующего механизма, т. е. свертывания крови, во- вторых, совершенно не вызывал бы тромбообразования.

Таблица 23. Влияние некоторых полимерных материалов на свертываемость крови и гемолиз (in vitro)

* Увеличение гемоглобина, мг/100 мл крови.
В табл. 23 приведены результаты испытаний in vitro некоторых синтетических материалов на ускорение коагуляции крови. Цель экспериментов состояла в том, чтобы определить время, протекающее до полного свертывания крови (по методу Ли — Уайта). На основании этих результатов можно (вывести, что при контактировании с поверхностью стекла коагуляция крови максимально ускоряется, тогда как силикон стимулирует процесс весьма слабо. Конечно, в большей или меньшей степени  коагулирующее воздействие имеет место в любом случае, и, если говорить о полимерах вообще, то добиться их полной коагуляционной нейтральности, очевидно, не удастся. Можно констатировать, что три манипулировании in vivo и даже в процессе естественной циркуляции крови практически все искусственные материалы в той или иной степени вызывают тромбообразование.
Длительная (циркуляция крови вне организма при использовании синтетических полимеров крайне нежелательна также из-за опасности разрушения эритроцитов, т. е. гемолиза. Обычная продолжительность существования эритроцитов достигает 4 мес, однако в условиях контактирования с инородным телом резко возрастает опасность физического травмирования крови. Понятно, что степень механических повреждений зависит как от химических, так и от физических свойств поверхности данного тела, а потому при проектировании аппаратуры, инструментария и вообще медицинских изделий и препаратов важнейшее значение приобретает выбор подходящего материала. Вообще же по сравнению с проблемой антикоагуляционности вопрос природы, технологичности и других свойств полимеров значительно проще и включает меньше узких мест.
В табл. 23 показано увеличение содержания гемоглобина в крови при гемолизе- очевидно, что в этом отношении как стекло, так и силиконовые каучуки имеют сравнительно благоприятные свойства. При испытаниях на живом объекте весьма велико количество погрешностей- кроме того, экспериментальные данные зависят от сложного комплекса характеристик, в частности от состояния поверхности материала, а потому не следует слишком переоценивать точность получаемых результатов. Наконец, приходится учитывать адгезию, образование агрегаций и разрушение эритроцитов, денатурацию и адсорбцию белков, иммунные процессы и многие другие факторы.

Деградационные изменения синтетических полимеров в живом организме

Живая материя ставит крайне жесткие условия для контактирующего с нею синтетического материала, и необходимо предвидеть самые различные деградационные изменения последнего при введении его в организм. Вместе с тем масштабы работ в этом направлении все еще весьма скромны и число публикаций незначительно. По всей вероятности, создавшееся положение обусловлено тем, что по сравнению с ядами, которые (за исключением нескольких медленно действующих) реагируют с  организмом крайне быстро, полимеры дают совершенно противоположную картину. А именно влияние, испытываемое полимером со стороны организма, проявляется обычно лишь через долгие месяцы и даже годы. Лишь в самое последнее время специалисты приступили, наконец, к исследованиям in vitro деградационных изменений, претерпеваемых искусственными материалами в живом организме за относительно короткие сроки.
В табл. 24 представлены изменения механических характеристик различных полимеров в результате достаточно длительного пребывания в брюшной полости собаки [3]. Согласно приводимым данным, прочность (при растяжении полиуретана и нейлона снижается гораздо быстрее чем силиконов и тефлона. Это позволяет (предположить, что синтетический полимер, введенный в живой организм, в разной степени, но неизбежно претерпевает разрыв макромолекулярных цепей, разрушение надмолекулярных структур и другие изменения деградационного характера. Для контроля можно использовать меченые полимеры, и тогда в подавляющем большинстве случаев в моче через несколько дней начинают появляться продукты разложения этих полимеров [13].
Таблица 24. Снижение прочности при растяжении синтетических полимеров в результате пребывания в живом организме [3]