О проблематике в области полимеров медицинского назначения - полимеры медицинского назначения
Очевидно, что результативность научно-исследовательских работ по созданию, усовершенствованию и использованию искусственных органов зависит не только от успехов медицины, но и от активности в широких областях всех естественных наук, а также техники и технологии, причем именно совокупность всех усилий является определяющим моментом.
В список веществ, получение которых необходимо для дальнейшей разработки искусственных органов, следует внести такие материалы:
- биологические, совместимые с живым организмом;
- обладающие антитромбогенными свойствами;
- искусственные диализно-диффузные пленочные;
- адсорбенты;
- вещества, переносящие кислород;
- материалы для микрокапсул;
- волокнистые материалы*;
- упруго-эластичные материалы, стойкие к истиранию;
- высокотехнологичные материалы, способные к повторному использованию;
- клеи для соединения живых тканей (биоклеи);
- композиционные материалы.
* Имеются в виду материалы, текстура которых волокниста по всему объему. — Примеч. перев.
Несомненно, что, кроме этих материалов, необходимо разработать способы и методологию их испытаний и оценки, создать соответствующие технологию и аппаратуру. К числу наиболее перспективных методов, заслуживающих внимания и дальнейшего развития, относятся, в частности, скрининг антитромбогенных материалов in vitro, скрининг на канцерогенность и аллергенность в культуре клеток, а также изучение биодеградационных изменений в биологической системе при помощи имитационного моделирования живого организма.
Вообще для разработки искусственных органов проблема материала является основополагающей, и дальнейший прогресс явно немыслим без ее разрешения.
Основные требования, которым должен удовлетворять материал медицинского назначения, можно кратко сформулировать следующим образом: материал должен быть абсолютно безвредным для организма, не быть канцерогеном или аллергеном, не претерпевать изменений во времени и не вызывать денатурацию, легко поддаваться обработке и обладать бактерицидным действием.
Кроме того, в зависимости от специфики того или иного искусственного органа материал должен быть стойким к истиранию, не вызывать тромбозов и эмболии, быть способным к образованию пленок, в частности диффузных, служить в качестве адсорбента или носителя кислорода. Он должен отвечать и многим другим требованиям.
Подход к полимерным материалам в медицинском аспекте позволяет утверждать, что наиболее интенсивное их развитие пойдет по нескольким основным направлениям. Перспективы и сроки такого развития иллюстрируются табл. 2.
В общих чертах проблематику всех работ можно свести к 11 пунктам, рассматриваемым ниже в конспективном изложении.
- Биологически совместимые материалы. К таким материалам относятся вещества, которые, будучи вживлены в организм, пребывают в нем на протяжении длительного времени, не вызывая никаких реакций. Уже нашли достаточно широкое применение силикон, тефлон, поликарбонаты, полиэтилен, гидрогели и другие синтетические полимерные материалы, а также некоторые металлы, например, специальные сорта нержавеющей стали и титан. Материала, который был бы совершенно инертен по отношению к живому организму, в настоящее время, как известно, нет. Иначе говоря, какова бы ни была природа вещества, в каком бы количестве оно ни использовалось, рано или поздно, локально или по всему организму, оно неизбежно вызовет биологическую реакцию.
Можно утверждать, что скоро возникнет необходимость в аналитических исследованиях биополимеров, в фундаментальной информации о формах и природе взаимодействия различных полимеров внутри живого организма, о благоприятных или дисгармоничных сочетаниях их гидрофильности, гидрофобности и других специфических свойств. Исследование полимеров, вживляемых в организм, с точки зрения их канцерогенности и способности вызывать те или иные аномалии представляется чрезвычайно затруднительным ввиду того, что очень велика продолжительность зоологических экспериментов- вместе с тем важность таких исследований несомненна. Следует добавить, что склонность полимера вызывать аномальные явления может быть определена также при рассмотрении его взаимодействия с клеткой культуры тканей.
- Антитромбогенные материалы. В связи с проблемой создания искусственных органов в мире проведены многочисленные фундаментальные исследования, посвященные антитромбогенности материалов, и уже накоплена достаточно обширная информация по этой теме. Вместе с тем, по современным представлениям, должно пройти не менее 20 лет, прежде чем удастся довести материалы до такого уровня, чтобы использование их в кровеносных сосудах или в сердце живого организма не вызывало свертывания крови.
Таблица 2. Перспективный план исследований и разработок в области полимерных материалов для создания искусственных органов человеческого тела
(по данным Департамента науки и техники, 1976)
Тем не менее, когда искусственный орган используется один или несколько раз, вопрос решается достаточно просто путем введения гепарина или другого тромбозоподавляющего агента- кроме того, разрабатываются вещества, срок использования которых достигает нескольких месяцев. Таким образом, перспективы получения необходимого материала, обладающего антитромбогенными свойствами, можно расценивать как вполне реальные.
Понятно, что необходимы многочисленные исследования в области получения ложновнутренних диафрагм с гладкой поверхностью, несущих электростатические заряды, способных седиментировать фибрин и обладающих комплексом других свойств- в области химического связывания таких диафрагм с агентами, продуцирующими гепарин и его аналоги, и в других областях и направлениях. По существу своему все эти работы должны, по-видимому, перерасти в исследование молекулярного проектирования, основанное на расшифровке механизма свертывания крови. Вместе с тем еще не истолкованы реальные условия тромбообразования на поверхности материала, и необходимы фундаментальные исследования в этом направлении.
Видео: JJG BioPlast_rus
- Диализно-диффузные мембраны. Известно, что для почки, печени и других искусственных органов необходимы диализные пленки, выводящие мочевину, креатинин и другие вредные вещества, однако в настоящее время достижение диализного эффекта у веществ с макромолекулами еще большего размера пока остается проблемой. По всей вероятности, вскоре возникнет необходимость в разработке мембран с произвольным диаметром диализных пор, а также диафрагм, способных избирательно пропускать те или иные вещества не по величине молекул, но в зависимости от их природы и свойств- потребуются и такие пленки, которые были бы способны сначала профильтровать субстанцию, а затем ресорбировать ее.
В искусственных легких диафрагмального типа обмен кислорода и углекислого газа достигается при помощи диализных мембран- последние обычно выполняют из силикона и аналогичных ему материалов. На современной стадии эффективность процесса никоим образом не может быть названа идеальной, и если в дальнейшем начнется разработка портативных искусственных легких, необходимо будет исследовать диафрагмы в физическом и химическом аспектах и изучить процессы химического связывания их с катализаторами и другими веществами.
- Адсорбенты. Начиная от адсорбции креатинина в искусственной почке, аммиака в искусственной печени и аналогичных процессов использование перфузии крови под действием адсорбентов привлекает все большее внимание. В настоящее время используются преимущественно активированный уголь, цирконий и ионообменные смолы. Понятно, что необходимы также разработки новых адсорбирующих материалов на основе новых функциональных полимеров, действующих по иным механизмам.
- Вещества, переносящие кислород. Как известно, в живом организме гемоглобин эритроцитов связывает кислород, поступающий из легких, а затем переносит его в циркулирующем токе крови во все участки тела- здесь в зависимости от изменений парциального давления кислорода окружающей среды эритроциты освобождают кислород. По-видимому, получение транспортирующего кислород вещества станет заключительным этапом создания искусственной крови. Если же разработки функциональных полимеров такого типа будут доведены до уровня искусственной клетки, осуществляющей процесс метаболизма, то, по всей вероятности, удастся получить фундаментальную информацию о синтезе самой жизни, ее расшифровке и толковании.
Вместе с тем в настоящее время разработки ведутся лишь в таких областях, как капсульное защитное покрытие эритроцитов крови животных и людей, растворение кислорода до высокой концентрации, например, фторированными углеводородами, или же, наконец, химическое связывание искусственных высокомолекулярных веществ с гемом эритроцитов животных. Понятно, что вся эта деятельность является лишь самой начальной стадией на пути получения искусственной крови как таковой, и в дальнейшем необходимы широкие научно-исследовательские работы гораздо более общего, универсального профиля.
- Материалы для микрокапсул. Будь то адсорбент или переносчик кислорода, для перфузии внутри тока крови желательно заключить его в капсулу, имеющую размеры порядка микронов. Свертывание крови под действием таких веществ, как и во многих других случаях, обусловливается высокой вязкостью, препятствующей их прохождению через капилляр. В качестве микрокапсульных материалов в таких случаях успешно используются кремнийорганические полимерные соединения и сывороточный альбумин, однако дальнейшие разработки крайне желательны в виду потребности в упруго-эластичном материале, обладающем высокой диффузностью, легко поддающемся обработке и не вызывающем денатурирования и других изменений заключенного в нем вещества в растворе.
Такой материал будет в полном смысле фундаментом для создания искусственной клетки.
- Волокнистые материалы . Винилацетатные волокнистые материалы, работающие в искусственной почке, силиконовые капилляры искусственных легких и аналогичные фрагменты других искусственных органов характеризуются высокой эффективностью обмена веществ благодаря широкой площади контактирования в микропористых диафрагмах.
* Имеется в виду полностью волокнистая текстура по всему объему материала. — Примеч. перев.
Такие фрагменты из волокнистых материалов легко поддаются миниатюризации, органы приобретают компактность, и потому дальнейшие работы по этой теме надо признать весьма перспективными.
Кроме того, известны успешные эксперименты по разработке искусственной поджелудочной железы, состоящие в том, что сначала на внешней поверхности волокнистого материала выращивают бетта-клетки и другие атрибуты железы, а затем через посредство диафрагмы из такого материала искусственно осуществляют функцию инсулинового секрета.
Результаты исследований позволяют рассчитывать, что в будущем удастся распространить применение волокнистых материалов такого типа еще и на сферу искусственного метаболизма внутренней секреции.
- Упруго-эластичные материалы, стойкие к истиранию. Для самых различных искусственных органов — костей, суставов, сердца, клапанов — характерно, что сфера использования материалов, стойких к истиранию и обладающих упругой эластичностью, всегда достаточно широка. В особенности для создания искусственных костей и суставов крайне желательны дальнейшие разработки полимерных материалов, обладающих благоприятным комплексом физико-механических характеристик.
- Материалы повторного использования. В живом организме содержится множество весьма совершенных по своим свойствам веществ и материалов- будучи повторно реализованы в форме искусственных органов, они имеют название биодеградированных материалов. Речь идет, например, об искусственных клапанах, полученных химической обработкой природных клапанов или созданных из твердой мозговой оболочки, об искусственном насосе сердца, выполненном из околосердечной сумки, и о многих других органах. В настоящее время ведутся эксперименты по использованию искусственной почки, функционирующей при помощи коллагеновой мембраны- последняя получена химической обработкой коллагена, большое количество которого содержится в коллагеновых тканях животных. Понятно, что дальнейшие исследования в этой области должны быть направлены на очистку и переработку природных материалов.
- Биологические клеи. Специальные биологические клеи используются для соединения кожи, тканевых фрагментов, кровеносных сосудов, кишечника и других органов и их частей. Кроме того, создаются или намечены к разработке новые разновидности биоклеев для соединения искусственных органов, например, кровеносных сосудов, мочеточника, желчных протоков с живым телом или для склеивания искусственных клапанов с природным сердцем.
В особенности необходимы такие разновидности биоклеев, как быстро схватывающиеся, а также клеи мгновенного действия для использования внутри биологических систем, содержащих конституционные жидкие среды. Весьма велика также потребность в клеях, которые не выделяют тепла, не продуцируют вредных веществ, не реагируют с живой субстанцией, не деградируют во время пребывания в организме и обладают другими благоприятными свойствами.
- Композиции полимерных материалов. Различные композиции на основе полимеров создаются, например, варьированием сочетаний синтетических полимеров единого гомологического ряда, синтетического полимера с металлом или же биополимера с металлом или с искусственным полимером, т. е. используются всевозможные сочетания и комбинации. Суть всех экспериментов сводится к тому, что получение композиций с новыми свойствами позволяет находить и производить материалы, способные выполнять принципиально новые функции. По всем предпосылкам, для развития исследований в этой области необходим научно обоснованный, строго систематизированный подход, опирающийся на традиционную технику, с использованием уже накопленной информации на стыках смежных наук.
Видео: На Ставрополье открывается современный центр по переработки отходов
Выше были конспективно изложены смысл, современное состояние, общая проблематика и перспективы развития полимеров медицинского назначения — преимущественно синтетических высокомолекулярных материалов для создания искусственных органов человеческого тела. Следует лишь добавить, что прогресс макромолекулярной химии медицинского профиля и возрастающие масштабы использования ее продуктов во многих других сферах науки и техники несомненно вызовут к жизни новое научное направление, весьма важное и перспективное.
