Исследование в области полимерных материалов - полимеры медицинского назначения
ГЛАВА 1
ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
АЦУМИ Кадзухико
Введение
Полимеры уже прочно вошли в современную медицину и успешно используются в различных ее областях, например, в качестве медикаментов, материалов для производства аппаратуры и инструментария, предметов санитарии и гигиены, материалов стоматологического назначения и, наконец, для изготовления искусственных органов человеческого тела. Высокомолекулярные вещества настолько глубоко внедрились в современную практику, что отсутствие их поставило бы всю медицинскую науку перед серьезными затруднениями. Понятно, что наиболее важными являются те из полимерных материалов, которые могут быть использованы либо в фармакологии, либо для протезирования частей тела и внутренних органов человека.
Широкое варьирование молекулярной массы и стереоструктуры высокомолекулярного вещества, а также использование его в разнообразных сочетаниях с другими полимерами создают практически неисчерпаемые возможности для получения широчайшей гаммы неизвестных материалов, причем особенно важна способность последних выполнять совершенно новые функции.
По мере того, как развиваются исследования в области биохимии, познается сущность процессов и систем метаболизма, накапливается информация о молекулярном проектировании, все больше теряет призрачность и материализуется идея получения принципиально новых полимерных материалов и медикаментов, способных открыть иные, часто неожиданные возможности как в области диагностики, так и в собственно лечебном процессе.
Трудно переоценить роль полимеров и в создании искусственных органов человеческого тела. Если, например, создана модель, имитирующая деятельность какого-то внутреннего органа, то, очевидно, материал этой модели не может не быть в той или иной форме связан с категорией макромолекулярности, что вытекает из самой природы биологических функций, исключительно сложных и многообразных.
Последующее развитие полимерных материалов — от исходных веществ, предназначенных лишь для изготовления достаточно простых искусственных органов, до функционального усовершенствования реализуемых аналогов — должно привести к созданию субстанций, приближающихся по своим биофункциональным возможностям к имитируемым живым органам. Дальнейший же прогресс в этом направлении позволит вплотную приблизиться к расшифровке биополимеров, т. е. к достаточно глубокому проникновению в их свойства, функции и метаморфозы. Иначе говоря, исследования макромолекулярных веществ медицинского назначения в конечном счете должны открыть новые пути и горизонты для познания феномена жизни.
Переходя к конкретному использованию полимеров для создания искусственных органов и частей человеческого тела, следует отметить, что, за исключением мозга и желудка, которые по современным воззрениям и общему научному уровню не подлежат замене, практически все органы исследуются и моделируются с целью создания соответствующих аналогов-заменителей. Применение последних вместо естественных органов, функциональность которых вследствие травмы или по другим причинам нарушена, является наиболее радикальным способом лечения- он привносит в организм новый жизненный фактор и может быть назван подлинно революционным способом.
В 1976 г. в связи с известным бумом в области естественных наук Департамент науки и техники Японии осуществил долгосрочное прогнозирование использования искусственных органов в Японии и в мире на 1980—1990 гг. В частности, было подсчитано число случаев клинического применения важнейших искусственных органов человеческого тела из числа тех, что уже применяются в настоящее время или же находятся в стадии, предшествующей передаче их в клинику. Прогнозировали также потребность в экспериментальной аппаратуре и в научных кадрах. Некоторые из полученных данных приведены в табл. 1.
В 1980 г. использование искусственных органов клиниками Японии определяется следующими цифрами.
Искусственные кости и суставы — 1500 человек, кровеносные сосуды — 7500, клапаны — 2000, сердце - легкие — 6000, водители ритма— 10 000, искусственная почка — 24 000, искусственное сердце — 3000 человек. В мире за этот же год искусственные органы получают соответственно 7500, 750 000, 300 000, 900 000, 300 000, 720 000 и 150000 человек.
Таблица 1. Прогноз потребности в искусственных органах
(по данным Департамента науки и техники, 1976 г.)
В 1990 г. клиническое использование искусственных органов в Японии достигнет следующего уровня.
Искусственные кости и суставы — 3000 человек, кровеносные сосуды — 24 000, клапаны — 6000, сердце-легкие — 100 000, водители ритма — 20 000, почка — 38 000, сердце— 10000 человек. В мире за этот же год искусственные органы получат соответственно 15000, 2,4 млн., 900 000, 1,5 млн., 600 000, 1,14 млн. и 500 000 человек.
Понятно, что число комплектов, т. е. полностью укомплектованных единиц искусственного органа, может совпадать с числом больных, но достаточно часто эти величины расходятся. Равенство наблюдается, например, при использовании искусственных костей и суставов, кровеносных сосудов, сердец и клапанов. Искусственные сердце-легкие, почка и некоторые другие органы применяются лишь временно, поэтому один и тот же комплект здесь может быть использован несколько раз, причем случаи многократного использования могут достигать нескольких сотен. Очевидно, что численность таких комплектов должна быть меньше, чем число больных. Вместе с тем по мере дальнейших разработок в области портативных и вживляемых искусственных органов, в частности легких и почек, на каждого больного необходимо будет иметь один искусственный орган в комплекте и, следовательно, неизбежно все большее сближение обоих цифровых показателей.
Исследования по созданию и совершенствованию искусственной почки осуществляются в Японии на 993 экспериментальных установках, т. е. в количественном отношении научные работы в этой области обеспечены достаточно хорошо. Число единиц оборудования для экспериментов с другими искусственными органами колеблется от десятков до нескольких сотен. Общее количество научных работников Японии, экспериментирующих в области искусственной почки, достаточно велико и достигает 2400 человек. Штат сотрудников, занимающихся созданием и совершенствованием других органов, значительно меньше и составляет от 100 до 500 человек на каждую тему.
Тенденции и общие перспективы разработок искусственных органов
Историческая ретроспектива в сочетании с прогнозированием позволяет выделить три основных направления научно-исследовательских работ в области искусственных органов человеческого тела:
Видео: Техническая конопля - самые перспективные материалы 21 века, как организовать новую индустрию?
- увеличение продолжительности действия органа;
- максимальная универсализация функций;
- уменьшение размеров (миниатюризация)- разработка портативных и вживленных в организм искусственных органов. Рассматривая в качестве примера искусственную почку, можно проследить тенденцию к применению ее для долгосрочного диализа у больных не только с острой, но и с хронической почечной недостаточностью. Весьма интенсивные исследования ведутся также в области искусственных легких и сердца- в настоящее время цель состоит в том, чтобы продлить срок действия этих органов от нескольких часов до месяцев.
Функции прежней искусственной почки сводились к диализу продуктов биодеградации и токсичных веществ. Современные же исследования в этой области имеют целью создание такой почки, которая была бы способна к селективной фильтрации и ресорбции, а в обозримом будущем — к реализации функций мочевых канальцев.
Переходя к применению искусственных органов, следует отметить, что практикуется достаточно много способов временного их использования вне организма, однако идеальным и наиболее перспективным методом несомненно следует считать вживление искусственного органа внутри организма. Очевидно, что разработка портативной искусственной почки с последующей ее миниатюризацией являются важнейшими шагами в этом направлении.
В последнее время начаты всесторонние исследования, связанные с созданием искусственной крови, печени, поджелудочной железы, а также искусственных органов чувств. Несомненно, что для успешного проведения таких исследований необходимы не только новые техника и технология, но и принципиально иные методы, причем результативность всего комплекса работ не может мыслиться без совместных усилий в сферах макромолекулярной химии, системотехники, прецизионной техники и в смежных областях науки и экспериментальной методологии. Назначение искусственных органов человеческого тела отнюдь не исчерпывается заменой естественных, живых органов, т. е. сферой радикальной терапии. Это открывает принципиально новую методологическую область фундаментальной медицины, основанную на имитационно-аналоговом моделировании функций организма.
При проведении экспериментов с живым сердцем достаточно часты случаи, когда неясно, на что именно действует циркулирующий медикамент — на систему кровообращения или на сердце. В то же время результаты экспериментов на животных с искусственным сердцем позволяют однозначно ответить на этот вопрос.
В заключение следует отметить, что применение искусственных почек и печени даст возможность расшифровать и истолковать сущность таких явлений, как мочевое отравление или печеночная кома. Наконец, комплекс исследований, связанных с искусственным сердцем, внесет ясность в картину сердечной функциональности, механизма циркуляционного регулирования и метаболизма.
