Polimery jako biomateriały

Polimery

Formy implantów

• Membrany

• Gąbki

• Włókna

• Kształtki lite i porowate

• Matryce kompozytów i nanokompozytów

• Właściwości mechaniczne dopasowane do

tkanek

• Modyfikacja powierzchni – sterowanie

odpowiedzią biologiczną

Polimery w medycynie

• Polimery pochodzenia naturalnego –

biopolimery

• Hydrożele w medycynie

Białka

Polisacharydy

(wielocukry)

Kolagen

Kwas hialuronowy

Soja

Kwas alginowy i alginiany
Chityna i chitozan
Celuloza

Właściwości:

Budują naturalną substancję międzykomórkową (ECM)

(biozgodność)

Pochodzenia obcogatunkowego (możliwa odpowiedź

immunologiczna)

Utrudnione przetwórstwo (izolacja, trudności w uzyskiwaniu

produktów o powtarzalnych właściwościach)

Biopolimery

Kolagen - właściwości

-Kolagen jest polimerem bioresorbowalnym,

nierozpuszczalnym w wodzie.

Ulega denaturacji pod działaniem podwyższonych

temperatur,

detergentów,

roztworów

soli,

rozpuszczalników

organicznych,

ultradźwięków,

stężonych kwasów i zasad.

Umożliwia to uzyskania materiału o pożądanej masie

cząsteczkowej, rozpuszczalnego w wodzie lub innych
rozpuszczalnikach organicznych.

Kolagen – zastosowanie w medycynie

nici chirurgiczne

kleje tkankowe

porowate struktury dla

inżynierii
tkankowej i
medycyny
regeneracyjnej

wypełniacze ubytków

kostnych i
ubytków tkanki
miękkiej dla celów
kosmetycznych

Polisacharydy (wielocukry)

Celuloza

-jest zbudowana tylko
z jednego rodzaju monosacharydu,
-D-glukozy:

- łańcuchy celulozy są zgrupowane w wiązki
i związane ze sobą wiązaniami wodorowymi
utworzonymi między sąsiednimi grupami
hydroksylowymi.
- silne wiązania międzycząsteczkowe a także
regularna struktura łańcucha powodują, że
celuloza ma:

- bardzo wysoki stopień krystaliczności,
- temperaturę topnienia przewyższającą
temperaturę rozkładu

- bardzo niewielką rozpuszczalność.

Zastosowanie w medycynie:
Membrany do dializy - Kuprophan

O H

H

C H O H

2

H

H O

H

H

H

O

C H O H

2

H

H

H

O

H

H O

O H

H

O

O

O

C H O H

2

H

H

H

H

H O

H

O

O

O H

Polisacharydy (wielocukry)

Alginiany

- to biodegradowalne polisacharydy otrzymywany przemysłowo
z brązowych alg morskich

- kwas alginowy jest liniowym blokowym kopolimerem kwasu -

D-manuronowego (M) i -L-guluronowego (G) połączonych

wiązaniami glikozydowymi;

- poszczególne łańcuchy polimeru mogą zawierać segmenty
typu MM, GG, oraz MG i są powiązane ze sobą wiązaniami
wodorowymi.

Struktura M-G-M-G kwasu alginowego

M

G

M

G

Alginiany mają zdolność tworzenia trwałych żeli w wyniku reakcji z solami wapnia.
Żelowanie alginianów to wynik grupowania się segmentów kwasu poliguluronowego
w agregaty, w których jony wapnia są rozmieszczone w przestrzeniach między-
łańcuchowych

Polisacharydy (wielocukry)

Alginiany

Właściwości

Alginian sodu - rozpuszczalny w wodzie, alginian wapnia -
nierozpuszczalny w wodzie. Przez dobór odpowiednich proporcji
między alginianem sodu i wapnia można kontrolować ich
rozpuszczalność i degradację in vivo.

Zastosowanie w medycynie

- materiały opatrunkowe w postaci włóknin, tkanin, dzianin

nie przylegają do ran z wysiękiem,
absorbują wysięk, utrzymują wilgoć
i przyśpieszają gojenie ran skóry

(właściwości hydrofilowe),

- nośniki do kontrolowanego uwalniania leków

- materiały podłożowe w inżynierii tkankowej

- bioenkapsulacja komórek

Polisacharydy (wielocukry)

Chityna

Struktura chityny przypomina celulozę z tym wyjątkiem, że grupy
hydroksylowe w pozycji 2 zostały zastąpione przez grupy
acetyloaminowe.

H

C H O H

2

H

H O

H

H

H

O

C H O H

2

H

H

H

O

H

H O

H

O

O

O

C H O H

2

H

H

H

H

H O

H

O

O

C O C H

3

N H

C O C H

3

N H

C O C H

3

N H

O H

H

C H O H

2

H

H O

H

H

H

O

C H O H

2

H

H

H

O

H

H O

O H

H

O

O

O

C H O H

2

H

H

H

H

H O

H

O

O

O H

chityna

celuloza

Polisacharydy (wielocukry)

Chitozan

- jest pochodną chityny otrzymywaną przez jej deacetylację
(hydrolizę grup N-acetyloaminowych),
- w większości przypadków deacetylacja obejmuje około 80% grup
N-acetyloaminowych, pozostałe 20% nie ulegają zmianie.

H

C H O H

2

H

H O

H

H

H

O

C H O H

2

H

H

H

O

H

H O

H

O

O

O

C H O H

2

H

H

H

H

H O

H

O

O

N H

2

N H

2

N H

2

H

C H O H

2

H

H O

H

H

H

O

C H O H

2

H

H

H

O

H

H O

H

O

O

O

C H O H

2

H

H

H

H

H O

H

O

O

C O C H

3

N H

C O C H

3

N H

C O C H

3

N H

chityna

chitozan

kraby

krewetki

1. Łatwo poddaje się modyfikacji powierzchniowej
2. Posiada zdolność tworzenia żeli

• nierozpuszczalny w wodzie

• niektóre rodzaje tych polimerów rozpuszczają się w 1% wodnym roztworze
kwasu octowego, co wykorzystano do ich przetwarzania, np. na włókna,

• polimery biodegradowalne.

Chitozan

Właściwości biologiczne chityny i

chitozanu

• Degraduje do normalnych

metabolitów

• Nietoksyczny
Posiada właściwości;
• bakteriostatyczne
• antynowotworowe
• antygrzybicze

Polisacharydy (wielocukry)

Chityna / Chitozan

Zastosowanie w medycynie:

gąbki do tamowania krwi

protezy naczyniowe

folie do pokrywania ran powstałych w wyniku
oparzeń skóry

sztuczna skóra

pokrycia soczewek kontaktowych

struktury porowate w inżynierii tkankowej

Ograniczenia w wykorzystaniu

chityny i chitozanu w medycynie

1. Wysokie koszty przetwórstwa –

wysokie koszty materiału

2. Brak stałych źródeł materiału o

powtarzalnych właściwościach

 

3. Wysoka cena powodująca niski

rynek nie pokrywający kosztów

otrzymywania materiału

Polisacharydy (wielocukry)

Kwas hialuronowy

Struktura kwasu hialuronowego

(A. Kwas D-glukoronowy; B. N-acetyloglukozamina)

- jest składnikiem matrycy zewnątrzkomórkowej tkanki łącznej,

-występuje w cieczach szklistej i wodnistej oka, płynie maziowym,
skórze i pępowinie

-posiada unikalne własności wiązania i zatrzymywania wody, co
wynika ze zdolności tworzenia wiązań wodorowych między
grupami karboksylowymi i N-acetylowymi kwasu hialuronowego a
cząsteczkami wody

O H

C H O H

2

N H C O C H

3

O

H

H O

H

H

H

H

H

H

H

H

H

O H

O

O

O

O

-

C O O

A

B

Polimerowe nośniki leków

Hydrożele

• Hydrożel to usieciowany, hydrofilowy polimer,

który posiada zdolność do

absorbcji dużych

ilości wody

, pęcznienia i tworzenia struktur 3D.

• Hydrożele posiadają zdolność

• pochłaniania wody jej wydzielania

• Proces ten sterowany być może
czynnikami zewnętrznymi takim jak;
temperatura, pH, pole magnetyczne,
impulsy elektryczne.

Hydrożele jako biomateriały

• Wchiterle, Lim 1960 – soczewki z 2-

hydroksyetylometakrylanu –PHEMA

• Hydrożele – wysoka zawartość wody,

miękkie, elastyczne, zbliżone

parametrami mechanicznymi do tkanek

miękkich

• Niskie napięcie powierzchniowe, znikoma

adhezja w środowisku biologicznym

• Wysoka zdolność do dyfuzji z wnętrza i

do wnętrza struktury hydrożelu

Woda w hydrożelu – struktura wody

• Woda podstawowa- uwodnienie

hydrofilowych grup polarnych

• Woda drugorzędowa- rozwijanie

łańcuchów, oddziaływania z grupami
hydrofobowymi

• Wolna woda – wypełnia pory i puste

przestrzenie

Hydrożele

• Woda w hydrożelu stanowi medium

transportowe dla dyfuzji substancji, a stopień

sieciowania matrycy polimerowej wpływa na

własności ich transportu przez materiał.

• Zmieniając masę cząsteczkową polimeru

pomiędzy wiązaniami poprzecznymi w sieci

hydrożelu można otrzymać materiał będący

rodzajem selektywnego sita molekularnego,

stanowiącego barierę dla dużych cząsteczek

np. immunoglobulin, a umożliwiającego

dyfuzję mniejszych cząsteczek tj. glukoza czy

insulina.

Rodzaje hydrożeli

-

• Hydrożele stałe (chemiczne) – to takie

w których pomiędzy łańcuchami

polimeru występują wiązania

chemiczne i osiągana jest równowaga

w stanie pęcznienia (ilość wody

wprowadzana do wnętrza polimeru

ściśle określona)

• Hydrożele odwracalne (fizyczne) –

wiązania wodorowe pomiędzy

łańcuchami polimeru

Rodzaj polimeru

Naturalne polimery
i ich pochodne

kwas alginowy, kwas hialuronowy,

siarczan chondroityny, chitozan,

kolagen, fibryna

Syntetyczne polimery

PEG-PLA-PEG, PEG-PLGA-PEG, PEG-PCL-

PEG,

polialkohol winylowy, metakrylany

Kombinacja naturalnych i
syntetycznych polimerów/

kolagen-akrylan, alginian-akrylan

Zastosowania hydrożeli medycynie

Przezskórne

dozowanie leków

Soczewki kontaktowe

Opatrunki

Właściwości hydrożeli istotne dla

zastosowań medycznych

• Współczynnik dyfuzji w obrębie hydrożelu
• Właściwości powierzchniowe, niska

energia powierzchniowa

• Właściwości optyczne (ważne w

soczewkach kontaktowych)

• Właściwości mechaniczne
• Trwałość, odporność na degradacje
• Biozgodność

Hydrożele jako systemy uwalniania

leków

• Lek wprowadzany jest do hydrożelu w

procesie polimeryzacji

• Lek wprowadzany jest wraz z woda w

procesie pęcznienia

• Uwalnianie leku obserwowane jest podczas

pęcznienia hydrożelu

• Leki uwalniane są na skutek działania

określonego czynnika (temperatura, pH,
stężenie określonych substancji)

Zagadnienia

• Rodzaje polimerów naturalnych

stosowanych w medycynie

• Formy implantów polimerowych

stosowanych w medycynie

• Hydrożele; budowa, właściwości,

zastosowania