POLIMERY W

MEDYCYNIE

A. Polimery Biostabilne

I. Wprowadzenie.

Zgodność biomateriałów polimerowych z

komponentami żywego organizmu od ponad 50

lat wykorzystywana jest do produkcji:



implantów podtrzymujących funkcje ustroju



sztucznych organów wewnętrznych,



implantowanych struktur trójwymiarowych

dla inżynierii tkankowej



substancji farmakologicznie czynnych

Znaczenie polimerów biomedycznych

w medycynie stale wzrasta ze względu na:



elastyczne warunki syntezy



szeroki wybór monomerów o dużej biozgodności



wysoka odporność na działanie środowiska

biologicznego- wyrób implantów zastępujących

lub wspomagających funkcje tkanek lub

narządów wewnętrznych



polimery bioresorbowalne stosowane do wyrobu

implantów do mocowania złamań kostnych-

uniknięcie powtórnej operacji jak przy

usuwaniu protez metalowych

II. Wymogi dla polimerów do celów

medycznych.

–

Musi być

biokompatybilny

(nie może wywoływać reakcji obronnej tkanek);

– Może być

przy tym neutralny dla organizmu

(nie oddziałuje);

– Może być

bioaktywny

(następuje integracja materiału z tkanką).

– Może być

biodegradowalny

(rozkłada się w organizmie);

– Musi mieć

odpowiednie właściwości.

(np. implant kości musi mieć podobną wytrzymałość

do kości.)

Nie mogą prowadzić do:



reakcji alergicznych, toksycznych,



wywoływać stanu zapalnego, odczynu na ciało

obce u biorcy;



zmian nowotworowych, mutagennych,

teratogennych;



w kontakcie z krwią- zmian w składnikach krwi,

wywoływać trombozy,



nieprawidłowego tworzenia się błony wewnętrznej

i mechanizmu zakrzepiania;



zmiany konfiguracji, morfologii

i trwałości komórek,

Od spełnienia wymogów zależy działanie

wyrobu i zdrowie pacjenta.

Cechy implantów:

1.w ortopedii i chirurgii urazowej

- wysoka wytrzymałość na rozciąganie, odporność

zmęczeniowa, odporność na zużycie i ścieranie.

2.w materiałach dentystycznych

-niski współczynnik rozszerzalności cieplnej,

wysoka odporność na ścieranie, wytrzymałość na

zginanie i ścinanie.

3.w chirurgii sercowo-naczyniowej

-odporność zmęczeniowa,

odporność na rozdzieranie, pękanie

Syntetyczne

➲

Niedegradowaln

e (biostabilne)

➲

Degradowalne

biodegradowalne

bioresorbowalne

Kompozyty

polimerowe

Systemy

-polimer-

ceramika

-polimer-węgiel

-ceramika-

wegiel

POLIMERY

Naturalne

➲

Proteiny

-kolagen

-soja

-fibrynogen

➲

Polisacharydy

-celuloza

-hityna

-kwas

hialurynowy

III. Podział

Polimerów

IV. Polimery niedegradowalne

(biostabilne)



Jednak żaden istniejący polimer nie jest

całkowicie odporny na działanie środowiska

biologicznie czynnego.



Implanty, więc zawsze w mniejszym

lub większym stopniu ulegają degradacji

w kontakcie z tkankami.



Podatność implantu na degradację

zależy od:

- rodzaju polimeru z jakiego go wykonano,
-miejsca implantacji,
-obciążeń mechanicznych jakim jest on poddawany.



Polimery te wykazują dużą odporność na

działanie środowiska biologicznie czynnego

.

Najpowszechniej stosowanymi

niedegradowalnymi polimerami

biomedycznymi są:

-polietylen
-polipropylen
-politetrafluoroetylen
-fluorowane polietylen i

polipropylen

-poliamidy
-poliuretany

-

elastomery silikonowe

-poliwęglany
-polieteroketony i

polieteroeteroketony

-

politereftalan etylenowy

-politereftalan butylenowy
-żywice akrylowe
-polichlorek winylu

Polietylen



częściowo rozgałęziony, o niskiej gęstości i

niskich masach cząsteczkowych,



otrzymuje się w procesie polimeryzacji

wysokociśnieniowej w temp. 30-80°C,



monomerem jest etylen otrzymywany w

procesie przetwarzania ropy naftowej,



parametry wytwarzanego polimeru kontroluje

się zmieniając temperaturę, ciśnienie i rodzaj

inicjatora.

-

HDPE

(high density PE, PEHD)-

niskociśnieniowy PE.

Nierozgałęzione łańcuchy zapewniają wysoką gęstość (0,94-

0,97 g/cm3) i duże siły oddziaływania międzycząsteczkowego.

-

MDPE

(medium density PE)-

o średniej gęstości (0,926-

0,940 g/cm3), otrzymywany w postaci proszku

-

LDPE

(low density PE)-

wysokociśnieniowy PE o niskiej

gęstości (0,915-0,935 g/cm3). Rozgałęzione łańcuchy

polietylenu "nie pasują" do siebie, co powoduje ich mniejszą

gęstość.

-

LLDPE

(linear low density PE)-

wysokociśnieniowy

liniowy PE o niskiej gęstości (0,915-0,935 g/cm3).

Wyróżniamy 4 rodzaje

polietylenu:

- giętki,
-woskowaty,
-przezroczysty,
- termoplastyczny
-traci elastyczność pod wpływem światła słonecznego

i wilgoci
-folie z PE charakteryzują się małą przenikalnością dla

pary wodnej,
-łatwo przepuszczają pary substancji organicznych,

W podwyższonych temperaturach bliskich temperatury

topnienia (110-136st.) , rozpuszcza się między innymi w

takich rozpuszczalnikach jak benzen, toluen, ksylen. To

umożliwia jego przetwarzanie z roztworu.

Właściwości

polietylenu.

Używany do wyrobu:

- protez ubytków chrząstki i kości
-w rekonstrukcji twarzy,
-protezy stawów,
-cewniki,
-siatki stosowane w dużych przepuklinach

Polipropylen (PP)



termoplast,



struktura częściowo krystaliczna,



wytrzymalszy, sztywniejszy i o wyższej

temperaturze topnienia z podobnym do niego

polietylenem.



Grupy CH

3

mogą być przestrzennie różnie

uporządkowane, co powoduje zróżnicowanie

właściwości.

Właściwości polietylenu.



obok polietylenów jest najczęściej

stosowanym tworzywem sztucznym.



największe zastosowanie ma polipropylen

izotaktyczny



duża odporność na działanie czynników

chemicznych



odporny na wilgoć.



mniej odporny na działanie światła, tlenu

i podwyższonych temperatur od polipropylenu

-

nici chirurgicznych

- siatek
-opakowań sterylnych
-ubrań ochronnych

Używany do wyrobu:

Politetrafluoroetylen (PTFE)



polimeryzacja zachodzi w roztworach wodnych

soli metali ziem alkalicznych,



przy pH powyżej 9,



w temperaturze 80-90°C,



w temperaturach bliskich temp. topnienia

(327°C), polimer rozpuszcza się we fluorowanej

nafcie.



jeden z najbardziej stabilnych termicznie

tworzyw sztucznych (temperaturowy zakres

pracy: od -200 do +260st. C).



odporność na niemal wszystkie znane

pierwiastków, związków chemicznych oraz

rozpuszczalników.



doskonała izolacyjność elektryczna .



wysoka gęstość(około 2,2 g/cm3).



wysoka odporność mechaniczna i na

ścieranie.



wysoka BIOZGODNOŚĆ.

Właściwości PTFE

-protez naczyniowych
-nici chirurgicznych
-do rekonstrukcji kości czaszki i szkieletu

twarzy

(jako kompozyt z innymi włóknami)

Filtry strzykawkowe

Używany do wyrobu:

Protezy naczyniowe

Poliamidy (nylony)



wiązania amidowe-C(O)-NH- w głównych

łańcuchach.



dzielimy na alifatyczne, cykloalifatyczne i

aromatyczne.



polimeryzacja przemysłowa właściwie tylko

w stopie, w temp. 220-280ºC, w atmosferze

gazu obojętnego lub pod próżnią.



włókna są produkowane pod różnymi nazwami

handlowymi: perlon, kapron, stilon, nylon,

ortalion,

z polimerów aromatycznych –kevlari nomex

polimeryzacja z otwarciem pierścienia cyklicznych laktamów:

polikondensacja kwasów dwukarboksylowych z diaminami:

Reakcja między chlorkami kwasowymi i diaminami:

-w znacznym stopniu krystaliczne,

-bezbarwne lub kremowe, dają się

łatwo barwić.

-trudno ścieralne,

-wytrzymałe mechanicznie, niełamliwe.

-wydłużają się o 50% zanim ulegną

zerwaniu.

-przetwarzane na wyroby gotowe

właściwie wyłącznie ze stopu.

Właściwości Poliamidów

-przede wszystkim włókien zwanych nylonami i
aramidami,

- tworzyw sztucznych o podwyższonej

odporności,

-w konstrukcji sztucznych kości i ścięgien

- włókien, nici chirurgicznych i siatek

Używany do

wyrobu:



wiązanie -NH-CO-O w łańcuchu głównym,



w zależności od monomerów i warunków syntezy

otrzymuje się materiały:

- liniowe lub usieciowane i rozgałęzione

- elastomeryczne lub sztywne



Otrzymywanie:

-w stopie lub roztworze,

-procesie dwustopniowym lub jednostopniowym

(podgrzewa się mieszaninę do odpowiedniej temp. i

prowadzi reakcję, aż do uzyskania polimeru o wymaganej

masie cząsteczkowej)

Poliuretany

Synteza liniowych poliuretanów

-topliwe, dzięki czemu łatwiej się je

przetwarza, ale mają mniejszą odporność

mechaniczną.

-niska trwałość-wynikająca z

wrażliwości wiązań uretanowych

środowisko (światło słoneczne,

środowisko kwaśne)

-poliuretany segmentowe są

bezpostaciowe,

-przetwarzanie na wyroby gotowe

głównie z masy stopionej, czasem z

roztworu.

Właściwości

Poliuretanów

Używany w medycynie:

-części sztucznego serca,

-protezy naczyń krwionośnych o małym przekroju,

- prześcieradła,

- podkłady ochronne na materace,

-linery poliuretanowe ochronne do leja

protezowego

Silikony (polimery

krzemoorganiczne)



wiązanie siloksanowe -Si-O-Si- w łańcuchu

głównym, w którym do atomów krzemu

dołączone są podstawniki organiczne takie jak

grupy metylowe czy fenolowe.



otrzymywanie: reakcja chlorosilanów z wodą,

prowadząca do silanoli i dalszej kondensacji.



użycie różnej funkcyjności pozwala na uzyskanie

materiałów o pożądanej budowie chemicznej i

właściwościach

(oleje, elastomery)

Właściwości Silikonów

-

polimery bezpostaciowe

-właściwie niezmienne w przedziale

temperaturowym od -50°C do +250°C

-wysoka zdolność przepuszczania powietrza

(10-20 razy większa niż innych elastomerów

organicznych)

-niepalne

-odporne termicznie i chemicznie

-dobre właściwości elektroizolacyjne i smarne

Zastosowanie silikonów

-protezy, np. sutka, małych

stawów,implantów piersi, implantów brody,

łydki,

-produkcja soczewek kontaktowych

(soczewki silikonowowo-hydrożelowe),

-folie organiczne do pokrywania oparzeń

skóry,

-produkcji opatrunków

Implant ust

Poliwęglany



wiązanie -OCOO- w łańcuchu głównym



Otrzymywanie:

a) reakcja bisfenolu A z fosgenem

b) wymiana estrowa między bisfenolem A i estrem

kwasu węglowego (węglanem fenylu)

c) reakcja bisfenoli z chloromrówczanami bisfenoli.



Przetwarzanie na wyroby końcowe odbywa się

metodą wtrysku, a także roztworu.

Synteza poliwęglanów z bisfenolu A i fosgenu

-mała absorpcja wody
-odporność na promieniowanie

jonizujące
-dobre właściwości mechaniczne
-łatwo rozpuszczalne w

chlorowanych rozpuszczalnikach
-odporne na działanie kwasów

rozcieńczonych
-względnie odporne na działanie

płynów ustrojowych
-obojętność fizjologiczna

Właściwości

Zastosowania poliwęglanów

-elementy aparatów do dializy i natleniania krwi

-do wyrobu szkieł optycznych,
-okularów przeciwsłonecznych,
-szkieł kontaktowych
-osłon twarzy.

Pompa krwi

Politereftalan etylenu



Otrzymywanie: reakcja dwu stopniowej

wymiany estrowej między tereftalanem metylu i

1,2-etanodiolem (glikolem etylenowym).



Reakcja w temp. 280-290°C, w atmosferze

azotu.



Katalizatory: metale i ich sole (octan ołowiu,

cynku).



Szczególnie użyteczne w syntezie polimerów

dla celów medycznych są nietoksyczne sole

cynku

Politereftalan etylenu

-

polimer krystaliczny

-dobre właściwości mechaniczne i

wytrzymałościowe
-doskonałe właściwości dielektryczne
-niewielka absorpcja wody
-odporność na starzenie i działanie światła
-odporność na działanie niskich i podwyższonych

temperatur (nawet do temperatury bliskiej

temperaturze topnienia),
-szczególne właściwości optyczne,
-możliwy jest recycling

Zastosowania Politereftalanu etylenu

-Z amorficznego politereftalanu etylenu

wężyki do pobierania i

przechowywania różnych płynów,

-Duże elementy urządzeń medycznych

(tomografy komputerowe, aparaty

rentgenowskie),

-Folie i pojemniki dla ochrony

sterylizowanych urządzeń i artykułów

medycznych.

C

H

2

O

N

H

2

metakrylan metylu

akryloamid

akrylonitryl

C

H

2

CH

COOH

C

H

2

C

COOH

CH

3

kwas
akrylowy

kwas
metakrylowy

C

H

2

N

C

H

2

CH

3

O

O

C

H

3



Pochodne kwasu akrylowego.



Otrzymuje się w masie lub zawiesinie w temperaturach

nie przekraczających 100°C.



Wykorzystuje się dwie metody:

1. do produkcji polimerów w postaci płyt

2. otrzymywanie materiału w postaci proszku

przerabianego na wyroby końcowe metodą wtrysku lub

wytłaczania.



Polimeryzacje te to głównie reakcje rodnikowej

polimeryzacji kwasu

akrylowego, metakrylowego oraz ich pochodnych estrów,

nitryli i amidów:

Polimery akrylowe

Właściwości

-wysoka estetyka

-tworzywo o dużej przezroczystości średnio 92%,

-odporne na działanie ultrafioletu, co zapobiega

zżółknięciu,

-plastyczne powyżej temperatury 80°C, pozwala

się prosto formować w zakresie temperatur 130-

190°C,

-posiada dużą odporność na warunki

atmosferyczne oraz na wiele związków

chemicznych,

-może być łatwo barwione,

-dobra izolacyjność cieplna,

-niewielka odporność na ścieranie,

Zastosowanie w medycynie

-

cementy w ortopedii (metakrylan metylu);

-końcówki cewników, elementy filtrów infuzyjnych

(polimetakrylan metylu),

-miękkie soczewki kontaktowe ( polimetakrylan 2-

hydroksyetylu- polyHEMA),

-części protez dużych stawów,

-uzupełnienia ubytków kości czaszki,

-w stomatologii główny składnik wypełnień,

-soczewki wewnątrzgałkowe (oka),

Trendy badań w dziedzinie polimerów

biomedycznych:

-synteza polimerów biostabilnych o podwyższonej

odporności na działanie środowiska biologicznego;

-syntezę polimerów bioresorbowalnych o podwyższonej

biozgodności i optymalnych czasach degradacji;

-otrzymywanie struktur polimerowych o własnościach

zbliżonych do własności tkanek biologicznych

(biomimetic materials);

-produkcję trójwymiarowych porowatych struktur

nośnych dla uwalniania leków, inżynierii tkankowej i

terapii genowej;

-uzyskiwanie elementów strukturalnych o rozmiarach

od kilku do kilkudziesięciu nanometrów, które mogą

być wykorzystywane jako nośniki komórek oraz

materiały o unikalnych własnościach biologicznych i

mechanicznych.