• 
  

TECHNOLOGIA TWORZYW SZTUCZNYCH

Sylwia Borek

Agnieszka Wojtaszak

Spis treści

1. Wymagania i kryteria doboru. 3

2. Rodzaje polimerów stosowanych w medycynie. 3

1. Polimery pochodzenia naturalnego. 3

2. Polimery syntetyczne. 6

1. Polimery niedegradowalne. 6

2. Polimery bioresorbowalne i biodegradowalne. 8

3. Kompozyty. 9

3. Metody przetwarzania polimerów na wyroby medyczne. 10

4. Zastosowanie polimerów w medycynie. 10

1. Kardiochirurgia, chirurgia naczyniowa, hemodializa. 10

2. Chirurgia szczękowo - twarzowa. 12

3. Chirurgia urazowa i ortopedia. 13

4. Chirurgia plastyczna. 13

5. Łączenie tkanek miękkich. 14

6. Naprawa i regeneracja tkanek i narządów wewnętrznych. 15

7. Polimery w inżynierii tkankowej i genetycznej. 15

8. Polimery jako leki. 15

5. Wnioski końcowe. 16

6. Literatura. 16

Biomateriały polimerowe od ponad 50 lat są stosowane w sposób kontrolowany w medycynie do wytwarzania produktów jednorazowego użytku oraz do wyrobów implantów. Ich znaczenie ciągle wzrasta w miarę pojawiania się nowych polimerów o unikatowych własnościach fizyko-chemicznych i biologicznych, rozumianych szeroko jako zgodność komórkowa i zgodność z komponentami żywego organizmu. Polimery stosowane początkowo do wytwarzania produktów jednorazowego użytku lub nieskomplikowanych elementów implantów metalowych, są obecnie wykorzystywane do produkcji samoistnych implantów podtrzymujących funkcje ustroju, sztucznych organów wewnętrznych, implantowalnych struktur trójwymiarowych dla inżynierii tkankowej oraz substancji farmakologicznie czynnych.

• 1. Wymagania i kryteria doboru.

Polimery do zastosowań medycznych zwane często polimerami biomedycznymi muszą odpowiadać wymogom, od których spełnienia zależy zarówno skuteczność działania wyrobów jak i zdrowie pacjenta. Wymogi te odnoszą się nie tylko do produkcji polimerów i ich przetwarzania na wyroby końcowe, ale także do zachowania się takich wyrobów w środowisku biologicznie aktywnym.

Polimery biomedyczne muszą być otrzymywane w sposób powtarzalny z monomerów o wysokiej czystości. Struktury chemiczna i molekularna polimeru nie powinny podlegać zmianom w wyniku przetwarzania na wyroby końcowe oraz sterylizacji. Własności chemiczne, fizyczne i mechaniczne polimeru winny być adekwatne do funkcji, jaką mają wypełniać wykonane z niego wyroby.

Choć w chwili obecnej żaden z dostępnych polimerów biomedycznych nie spełnia wszystkich warunków, implanty polimerowe są skutecznie stosowane w medycynie, a ich zastosowanie stale rośnie.

• 2. Rodzaje polimerów stosowanych w medycynie.

Polimery biomedyczne można podzielić na dwie podstawowe grupy, obejmujące polimery pochodzenia naturalnego (biopolimery) oraz polimery syntetyczne.

• 2.1. Polimery pochodzenia naturalnego.

Polimery pochodzenia naturalnego dość powszechnie stosowane w medycynie to proteiny (białka) oraz polisacharydy (wielocukry).

Białka

Białka stanowiące jeden z podstawowych składników budowy żywych organizmów są z chemicznego punktu widzenia poliamidami.

Białka można podzielić na dwie grupy: białka fibrylarne, nierozpuszczalne w wodzie oraz białka globularne, rozpuszczalne w wodzie i w wodnych roztworach kwasów, zasad i soli. Przynależność białek do jednej z wymienionych grup i związana z tym rozpuszczalność, decydują o sposobie ich przetwarzania na produkt końcowy.

Specyficzne własności chemiczne i funkcje biologiczne protein są zależne od ich struktury. Podstawową strukturą protein jest struktura pierwszorzędowa, określająca sposób, w jaki liniowe sekwencje poszczególnych aminokwasów w łańcuchu polimeru są ze sobą połączone. Obecność wiązań wodorowych, mostków dwusiarczkowych, przyciąganie między ładunkami dodatnimi a ujemnymi, oraz oddziaływania między hydrofobowymi i hydrofilowymi aminokwasami powoduje, że łańcuchy białek ulegają skręceniu lub sfałdowaniu tworząc strukturę drugorzędową. Przykładami są śrubowa lub sfałdowana budowa łańcucha, zwana α-helisą oraz struktura fałdowa lub struktura β. Jeśli oddziaływania międzycząsteczkowe powodują jeszcze większe zagęszczenie łańcuchów polimeru w przestrzeni, jak np. w proteinach globularnych, mówi się wówczas o strukturze trzeciorzędowe. Jeśli białka zbudowane są z większej liczby łańcuchów polipeptydowych, jak np. w hemoglobinie lub niektórych enzymach, mamy do czynienia ze strukturą czwartorzędową.

W grupie białek, największe zastosowanie w medycynie znalazł kolagen. W mniejszym stopniu stosowane są fibrynogen, fibryna, fibronektyna, elastyna oraz żelatyna. Od niedawna, zainteresowanie budzi soja, proteina pochodzenia roślinnego.

Kolagen

Kolagen będący składnikiem tkanki łącznej należy do grupy protein fibrylarnych. Występuje on w dziewięciu odmianach. Około 90% całego kolagenu obecnego w ciele stanowi Typ I (kość, skóra, ścięgna, więzadła, rogówka, organy wewnętrzne).

Kolagen jest polimerem bioresorbowalnym, nierozpuszczalnym w wodzie. Ulega denaturyzacji pod działaniem podwyższonych temperatur, detergentów, roztworów soli, rozpuszczalników organicznych, ultradźwięków, stężonych kwasów i zasad.

W różnych postaciach stosowany jest do wyrobu klejów, porowatych struktur do inżynierii tkankowej, jako wypełniacz ubytków kostnych i ubytków tkanki miękkiej, do celów kosmetycznych oraz w kompozytowych substytutach kości w połączeniu z hydroksyapatytem lub trójfosforanem wapnia.

Soja

Białka sojowe w czystej postaci są uzyskiwane z nasion soi strączkowej. Podstawowymi składnikami biologicznie aktywnymi soi są dwa izoflawony z grupy polifenoli: genistein i daidzein. Izoflawony soi wydają się odgrywać znaczącą rolę w zapobieganiu i leczeniu różnych chorób chronicznych, w tym niektórych form nowotworów (piersi, prostaty), osteoporozy, chorób serca a także w łagodzeniu objawów menopauzy.

Konsumpcja soi nie powoduje przechodzenia wapnia do moczu, zjawiska typowego dla protein pochodzenia zwierzęcego. Izoflawony soi pobudzają tworzenie się kości, hamują jej resorpcję, zwiększają zawartość i gęstość wapnia w kości. Oprócz zastosowania w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, pochodne soi mogą tez być stosowane jako monomery do syntezy polimerów biodegradowalnych np. poliuretanów.

Polisacharydy

Ich podstawowe funkcje biologiczne polegają na dostarczeniu energii dla reakcji komórkowych (polisacharydy energetyczne) oraz zapewnieniu sztywności i wytrzymałości mechanicznej ścianom komórek (polisacharydy strukturalne).

Przykładami polisacharydów stosowanych w medycynie są celuloza i jej pochodne, kwas alginowy i jego sole, hialuronian, heparyna, chityna i chitozan.

Celuloza

Celuloza jest głównym składnikiem strukturalnym błony komórkowej roślin. Występowanie silnych powiązań międzycząsteczkowych a także regularna struktura łańcucha powodują, że celuloza ma bardzo wysoki stopień krystaliczności, temperaturę topnienia przewyższającą temperaturę rozkładu i bardzo niewielką rozpuszczalność.

Kwas alginowy, alginiany

Alginiany są bioresorbowalnymi polisacharydami otrzymywanymi przemysłowo z brązowych alg morskich.

Alginiany mają zdolność tworzenia trwałych żeli w wyniku reakcji z solami wapnia. Ich zdolność do żelowania jest wykorzystywana m.in. w ich przetwórstwie na wyroby medyczne. Alginiany traktuje się jako polimery biodegradowalne.

Alginiany sodu i wapnia w postaci włóknin, tkanin, dzianin oraz bandaży są stosowane do pokrywania ran skóry. Znalazły one też zastosowanie jako nośniki do kontrolowanego uwalniania leków, w inżynierii tkankowej oraz w konstrukcji sztucznej trzustki.

Chityna i chitozan

Chityna jest polisacharydem, drugim po celulozie najpowszechniej występującym polimerem naturalnym. Struktura chityny przypomina celulozę z tym wyjątkiem, że grupy hydroksylowe w pozycji 2 zostały zastąpione przez grupy acetyloaminowe.

Chitozan jest pochodną chityny otrzymywaną przez jej deacetylację.

Zarówno chityna jak i chitozan są nierozpuszczalne w wodzie. Właściwość ta została wykorzystana do ich przetwórstwa np. na włókna. Chityna i chitozan są polimerami biodegradowalnymi. Znalazły one zastosowanie przy wyrobie różnych produktów medycznych, np. gąbki do tamowania krwi, protezy naczyniowe, membrany do plazmaforezy, folie do pokrywania ran powstałych w wyniku oparzeń skóry, sztuczna skóra, bandaże, ciecz wodnista oka, pokrycia soczewek kontaktowych, struktury porowate w inżynierii tkankowej, implanty do kontroli cholesterolu we krwi oraz implanty mogące spowalniać rozwój niektórych nowotworów i przyspieszać gojenie kości.

Kwas hialuronowy

Kwas hialuronowy jest liniowym nierozgałęzionym polisacharydem z grupy proteoglikanów. Jest składnikiem matrycy zewnątrzkomórkowej tkanki łącznej. Występuje w cieczach szklistej i wodnistej oka, płynie maziówkowym, skórze, pępowinie.

• 2.2. Polimery syntetyczne.

• 2.2.1. Polimery niedegradowalne.

Za polimery niedegradowalne uważa się takie, które wykazują dużą odporność na działanie środowiska biologicznie czynnego. Należy jednak podkreślić, że żaden z polimerów niedegradowalnych dostępnych obecnie, nie jest całkowicie odporny na działanie środowiska biologicznie czynnego, a implanty z tych polimerów w mniejszym lub większym stopniu ulegają degradacji w kontakcie z tkankami.

Najpowszechniej stosowanymi niedegradowalnymi polimerami biomedycznymi są polietylen, polipropylen, politetrafluoroetylen, fluorowane polietylen i polipropylen, poliamidy, poliuretany, elastomery silikonowe, poliwęglany, polieteroketony, politereftalan etylenowy, politereftalan butylenowy, żywice akrylowe oraz polichlorek winylu.

Polietylen, polipropylen

Polietylen można otrzymać metodą polimeryzacji wysokociśnieniowej, metodą Zieglera lub Philipsa. We wszystkich przypadkach monomerem jest etylen otrzymany w procesie przetwarzania ropy naftowej.

Polipropylen uzyskuje się z propylenu stosując podobne warunki syntezy jak dla polietylenu. Największe zastosowanie znalazł liniowy polipropylen izotaktyczny. Łańcuchy polimeru w stanie krystalicznym przyjmują konformację spirali, w której trzy jednostki strukturalne przypadają na jeden obrót spirali.

Politetrafluoroetylen (PTFE)

Procesy polimeryzacji tetrafluoroetylenu na skalę przemysłową są chronione patentami. Politetrafluoroetylen jest odporny na działanie rozpuszczalników w temperaturze pokojowej. W temperaturach bliskich temperaturom topnienia (327^oC), polimer rozpuszcza się we fluorowanej nafcie. Wyróżniającą cechą polimeru oprócz wyjątkowej odporności chemicznej, dobrego przewodnictwa cieplnego, wytrzymałości mechanicznej, odporności na ścieranie jest wysoka biozgodność.

Poliamidy

Poliamidy są polimerami zawierającymi wiązanie -CO-NH- w łańcuchu głównym. W zależności od rodzaju monomerów użytych w syntezie, można je podzielić na alifatyczne, cykloalifatyczne i aromatyczne. Rozpuszczalnikami dla większości poliamidów są stężone kwasy: siarkowy, mrówkowy, trójchlorooctowt, a także fluorowane alkohole oraz fenole. Poliamidy są przetwarzane na wyroby końcowe prawie wyłącznie ze stopu.

Poliuretany

Poliuretany są związkami wielkocząsteczkowymi zawierającymi charakterystyczne wiązanie -NH-CO-O w łańcuchu głównym. Otrzymywane są w reakcji polioli z diizocyjanianami i diolami lub diaminami, które spełniają rolę wydłużacza łańcucha. W zależności od rodzaju użytych monomerów jak i warunków syntezy otrzymuje się materiały elastomeryczne lub sztywne, liniowe lub usieciowane.

Poliuretany segmentowe są polimerami bezpostaciowymi. Polimery liniowe rozpuszczają się w takich rozpuszczalnikach jak dwumetyloformamid, dwumetyloacetamid, dwumetylosulfoksyd i chloroform. Ich rozpuszczalność w danym rozpuszczalniku zależy od budowy chemicznej poliuretanu. Przetwarzanie na wyroby gotowe odbywa się głównie z masy stopionej, a w mniej licznych przypadkach z roztworu.

Polimery krzemoorganiczne (silikony)

Silikony są polimerami posiadającymi charakterystyczne wiązanie siloksanowe -Si-O-Si w łańcuchu głównym. Silikony są polimerami bezpostaciowymi, zachowującymi praktycznie niezmienne własności w obszernym przedziale temperatur od -50^oC do +250^oC. Elastomery silikonowe posiadają też wysoką zdolność przepuszczania powietrza, która jest 10 do 20 razy większa od przepuszczalności innych elastomerów organicznych. Właściwość ta została wykorzystana praktycznie w niektórych wyrobach medycznych np. foliach opatrunkowych do pokrywania oparzeń skóry.

Poliwęglany

Poliwęglany z charakterystycznym wiązaniem -OCOO- w łańcuchu głównym są liniowymi poliestrami diwodorotlenowych fenoli i difunkcyjnego kwasu węglowego. Charakteryzują się one małą absorpcją wody, odpornością na działanie promieniowania jonizującego, dobrymi własnościami mechanicznymi i obojętnością fizjologiczną. Polimery rozpuszczają się łatwo w chlorowanych rozpuszczalnikach, są odporne na działanie rozcieńczonych kwasów i względnie odporne na działanie płynów ustrojowych. Przetwarzanie poliwęglanów na wyroby końcowe odbywa się metodą wtrysku, a także z roztworu.

Politereftalan etylenu

Otrzymuje się go w dwustopniowej reakcji wymiany estrowej między tereftalanem etylu i glikolem etylenowym. Politereftalan etylenu jest polimerem krystalicznym, ma dobre własności mechaniczne, wykazuje niewielką absorpcję wody i stosunkowo wysoką odporność na działanie czynników chemicznych. Jest przetwarzany z masy stopionej przez wtrysk i wytłaczanie. W przypadku produkcji włókien, wytłaczanie polimeru powiązane jest z rozciąganiem włókna na gorąco dla uzyskania podwyższonych własności mechanicznych.

Polisulfony, polietery aromatyczne

Polisulfony oraz polieterosulfony są polimerami bezpostaciowymi a polieteroeteroketony krystalicznymi. Obie grupy polimerów wyróżniają się wysoką odpornością na działanie podwyższonych temperatur, co pozwala na ich stosowanie w wyrobach pracujących w temperaturach przekraczających 160^oC. Polimery te maja dobre własności mechaniczne, są odporne na działanie agresywnych czynników chemicznych, włączając agresywne środowisko biologicznie czynne oraz na promieniowanie o wysokiej energii. Ta właściwość jest szczególnie użyteczna w przypadku sterylizacji.

Polimery akrylowe

W grupie polimerów akrylowych najszersze zastosowanie dla celów medycznych znalazły m.in.: metakrylan metylu (cementy w ortopedii), polimetakrylan metylu (końcówki cewników, elementy filtrów infuzyjnych itp.) oraz polimetakrylan 2-hydroksyetylu - polyHEMA (miękkie soczewki kontaktowe). Cyjanoakrylany w postaci monomeru stosuje się jako kleje.

• 2.2.2. Polimery bioresorbowalne i biodegradowalne.

Polimery bioresorbowalne są materiałami, które winny degradować się w środowisku biologicznie czynnym do nieszkodliwych produktów ubocznych. Produkty takie występują naturalnie w organizmie jako produkty przemiany materii i następnie są z organizmu wydalane lub są składnikami tkanek takimi jak np. hydroksyapatyt. Obok polimerów bioresorbowalnych stosuje się też polimery biodegradowalne. W przypadku tych ostatnich, tworzące się produkty degradacji niekoniecznie występują naturalnie w organizmie, jednak tak jak w przypadku polimerów bioresorbowalnych, winny być dla organizmu nieszkodliwe.

O tym czy dany polimer resorbowalny może być stosowany do produktów medycznych decydują zarówno aspekty techniczne jak i właściwości biologiczne tego materiału. Polimer winien być produkowany w sposób powtarzalny na skalę przemysłową i odznaczać się wysoką czystością. Degradacja implantów winna przebiegać w sposób kontrolowany. Zbyt szybka degradacja może powodować nie tylko przedwczesną utratę właściwości mechanicznych, lecz także uwalnianie w krótkim czasie znacznej ilości produktu degradacji, przekraczającą zdolność organizmu do jego wydalania. W warunkach optymalnych,implant polimerowy winien ulegać stopniowej resorpcji, przebiegającym zgodnie z postępującym procesem gojenia tkanek.

Polimery bioresorbowalne stosowane w medycynie, które produkowane są na skalę przemysłową to głównie: poliglikolid, polilaktydy, kopolimery glikolidu z laktydami, kopolimery glikolidu lub laktydów z kaprolaktonem, kopolimery glikolidu lub laktydów z węglanem trójmetylenu, poliortoestry, polibezwodniki, poliestroamidy oraz poliparadioksanon.

Poliglikolid

Poliglikolid o wysokich masach cząsteczkowych, nadający się do wyrobu implantów o dobrych własnościach mechanicznych, jest otrzymywany w wyniku polimeryzacji α-glikolidu z otwarciem pierścienia, prowadzonej w temperaturach 170-220^oC. Polimer rozpuszcza się wyłącznie w rozpuszczalnikach fluorowanych i jest przetwarzany na wyroby gotowe z masy stopionej.

Polikwasy mlekowe, polilaktydy

Kwas mlekowy występuje w dwóch optycznych odmianach izomerycznych jako lewoskrętna odmiana L i prawoskrętna odmiana D. Polimery takie mogą być stosowane do wyrobu nośników leków.

Inne polimery bioresorbowalne

Znaczące zastosowanie w medycynie obok homopolimerów glikolidu i laktydów znalazł też zastosowanie poliparadioksanon, głównie na nici chirurgiczne. Polimery oparte na węglanie tyrozyny i fumaranie propylenu są wciąż w fazie wprowadzania na rynek. Inną grupą polimerów, których znaczenie stale wzrasta, są elastomery poliuretanowe oparte na monomerach o dużej zgodności biologicznej. Choć w literaturze naukowej pojawia się coraz więcej informacji na ich temat, polimery te są ciągle jeszcze w fazie eksperymentalnej.

• 2.3. Kompozyty.

Obok polimerów resorbowalnych zastosowanie w medycynie znalazły także materiały kompozytowe. Kompozyty takie stosuje się z różnym skutkiem jako substytuty kości gąbczastej do wypełnienia ubytków kostnych, które nie goją się samorzutnie. Stosuje się je też w implantach do zespolenia złamań kostnych. Coraz więcej uwagi poświęca się nanokompozytom opartym na polimerach bioresorbowalnych i ceramice, w której rozmiary kryształów nie przekraczają 200 nanometrów. Sugeruje się,że przy użyciu kryształów o takich rozmiarach, możliwym będzie uzyskanie implantów o podwyższonych właściwościach mechanicznych oraz uniknięcie procesu rozwarstwiania na granicy faz między organiczną matrycą polimerową, a zbrojącą ją fazą mineralną.

• 3. Metody przetwarzania polimerów na wyroby medyczne.

Wyroby polimerowe ogólnego zastosowania otrzymuje się w wyniku przetwarzania polimerów z masy stopionej lub z roztworu. Wyroby medyczne uzyskuje się przy wykorzystaniu technik stosowanych do wyrobu produktów polimerowych ogólnego użycia. Podstawowe metody przetwarzania z masy stopionej obejmują wytłaczanie, wtrysk, formowanie pod ciśnieniem, walcowanie, wydmuchiwanie, odlewanie, powlekanie, nawijanie włókien, laminowanie, formowanie obrotowe, przeciąganie połączone ze zbrojeniem polimeru innym materiałem i natrysk masą stopioną. Wyroby polimerowe uzyskuje się też przez polimeryzację monomerów w odpowiednich formach, które mają kształt produktu końcowego.

Przetwarzanie z roztworu, obejmuje wylewanie roztworu polimeru do formy o odpowiednim kształcie, pokrywanie formy przez zanurzenie w roztworze polimeru o odpowiednim stężeniu, malowanie lub natrysk.

4. Zastosowanie polimerów w medycynie.

Zastosowanie polimerów w medycynie jest bardzo szerokie, szczególnie jeśli uwzględni się zastosowania eksperymentalne. Skupimy się jednak na wyrobach medycznych produkowanych na skale przemysłową.

4.1. Kardiochirurgia, chirurgia naczyniowa, hemodializa.

Implanty polimerowe są stosowane od początków XX wieku. Przykładami są:

• sztuczne naczynia krwionośne

By-passy to obecnie jedna z najczęściej wykonywanych operacji kardiochirurgicznych, polegająca na wszczepieniu fragmentów żył pobranych zwykle z uda pacjenta w miejsce chorobowo zwężonych odcinków naczyń wieńcowych. Dzięki temu do serca znów dopływa tyle krwi, ile potrzeba. Problem w tym, że u co trzeciej osoby potrzebującej by-passów nie udaje się znaleźć ani kawałka żyły wystarczająco zdrowej, by nadawała się do przeszczepu. Su Sullivan z amerykańskiej firmy biomedycznej Organogenesis wymyśliła sztuczne naczynia, które mogą ten problem rozwiązać.

Ich szkielet stanowi czysty kolagen wyizolowany z jelita świni, który jest bardzo mocny i dlatego ma szansę wytrzymać kurczenie się i rozszerzanie naczynia. Wnętrze uformowanej z niego rury pokrywa mało odporny na rozciąganie, ale za to gładki kolagen krowi. A najgłębiej znajduje się warstewka heparyny, substancji zapobiegającej tworzeniu się zakrzepów.

Po wszczepieniu królikom w ten sposób uformowane naczynia pokryły się takimi samymi komórkami śródbłonka, jak te, które chronią naturalne naczynia krwionośne przed zatkaniem. W efekcie po trzech miesiącach nowe tętnice nie tylko były wolne od zakrzepów, ale też reagowały prawidłowo na sygnały chemiczne nakazujące kurczenie się i rozkurczanie. A żadne wcześniej wymyślone sztuczne naczynia nie potrafiły regulować przepływu krwi stosownie do chwilowego zapotrzebowania serca.

Natomiast dr Peter Stonebridge z Ninewells Hospital w Szkocji Opracował sztuczne naczynia krwionośne Nowej generacji, w których mimo opływu lat nie powstaje płytka miażdżycowa.

• zastawki serca; elementy konstrukcyjne sztucznego serca i implantacyjnych pomp wspomagających prace serca; substytuty osierdzia

Pracowania Sztucznego Serca Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii otrzymała nagrodę na 53. Targach Wynalazczości w 2004 r. za komorę wspomagania POLVAD. Komora w całości wykonana jest z poliuretanu i wyposażona w elementy robocze: membranę i trójpłatowe zastawki. Jej wewnętrzna i zewnętrzna powierzchnia w całości została pokryta warstwą krystalicznego tytanu oraz jego związków. Zastosowanie elastycznych elementów roboczych komory pozwala na swobodny, zbliżony do fizjologicznego, przepływ krwi.

Rys. Całkowicie implantowana proteza serca.

Rys. Komora wspomagania POLVAD z zastawkami mechanicznymi

Rys. Komora wspomagania POLVAD z zastawkami poliuretanowymi

• przewody elementy pomp do przetaczania krwi

• balony i stenty do plastyki naczyniowej

• izolacje przewodów do rozruszników serca

• cewniki naczyniowe i zbiorniki do przechowywania krwi

• materiały do zakrzewiania wewnątrznaczyniowego

• substytuty krwi oraz różnego rodzaju membrany półprzepuszczalne stosowane w hemodializie, nasycaniu krwi tlenem i plazmaferezie

Stosowane polimery - politereftalan etylenu, politereftalan butylenu, poliuretany, polisulfony, pochodne celulozy i innych polisacharydów oraz w mniejszym stopniu silikony.

4.2. Chirurgia szczękowo - twarzowa.

Zastosowanie: wypełnianie ubytków kostnych żuchwy i szczęki górnej, rekonstrukcja kości czaszki i twarzy, kości jarzmowej, oczodołu, korekcje kosmetyczne, np. nosa i podbródka, regeneracja kości w zębodołach, zabezpieczanie implantów dentystycznych przed wrastaniem tkanki miękkiej, elastyczne tkanki dentystyczne, zmniejszające nacisk na dziąsła wywierany przez protezy.

Polimery - PE, PMMA, silikony, PU.

Polimery bioresorbowalne - polihydroksykwasy (polilaktydy) oraz ich kopolimery z glikolidem.

Rys. Rekonstrukcja kości twarzy.

4.3. Chirurgia urazowa i ortopedia.

Zastosowania: panewki stawu biodrowego, elementy protez kolana i stawu łokciowego, implanty stawów palcowych i nadgarstka oraz cementy do mocowania protez stawu biodrowego w kości, protezy ścięgien i wiązadeł, gwoździe wewnątrzkanałowe krótkiego użycia, kompozytowe płytki i śruby do zespalania złamań kostnych i elementów, tzw. klatek do zespolania kręgów kręgosłupa.

Zastosowanie substytutów kości z polimerów syntetycznych ma charakter eksperymentalny i jak dotąd brak jest produktów handlowych.

Polimery - PE o ultra wysokiej masie cząsteczkowej, PP, PMMA, żywice epoksydowe głównie w formie kompozytów z włóknami węglowymi, politereftalan etylenu, silikony, żywice acetalowe.

4.4. Chirurgia plastyczna

Stosuje się do korekcji wyglądu estetycznego pacjenta (zmniejszenie widoczności zmarszczek skóry twarzy oraz korekcji kształtu warg, podbródka i nosa) lub spełniają funkcje fizjologiczne zastępując uszkodzone tkanki (jako struktury porowate stosowane do wypełniania ubytków tkanek lub jako półprzepuszczalne membrany mikroporowate do pokrywania ran skóry powstałych w wyniku oparzeń). Stosuje się kleje do łączenia nacięć na skórze. Polimery naturalne i syntetyczne w postaci żeli wstrzykiwanych podskórnie wykorzystywane są w zabiegach korekcji kosmetycznych, np. polimery takie jak kolagen, poliakryloamidy, oraz mikrokuleczki z polietyloakrylanów lub polimetakrylanów zawieszone w żelu kolagenowym.

Implanty piersi

Epoka powiększania piersi rozpoczęła się w 1962 roku - wtedy Cronin i Gero wszczepili pierwsze protezy piersi wypełnione żelem silikonowym. 80% zabiegów to operacje kosmetyczne, a tylko 20% ma na celu rekonstrukcje piersi po amputacji z powodu raka. Na całym świecie żyje kilka milionów kobiet z implantami silikonowymi. Rocznie w samej Ameryce Północnej wykonuje się 1 - 2,5 mln zabiegów, których cena wynosi 12 000 - 14 000 w zależności od producenta i typu implantów.

Soczewki

Wymyślił je Leonardo da Vinci. Polimerowe pojawiły się w latach 30-tych - tzw. soczewki twardówkowe. Produkowane były z PMMA. W 1948 wprowadzono soczewki rogówkowe, a w 1954 „mikrosoczewki”. Stosowane tworzywa były gazoprzepuszczalne, nietoksyczne, wytrzymale. Jednak to wszystko były soczewki sztywne. Miękkie weszły na rynek w 1963 roku. Produkowane z HEMA, czyli polimetakrylanu 2-hydroksyetylowego. Obecnie miękkie soczewki są zbudowane z tworzyw elastycznych, w których 36-75% stanowi woda. To umożliwia przenikanie tlenu do oka.

Rys. Soczewki kolorowe.

Rys. Soczewki piłkarskie.

4.5. Łączenie tkanek miękkich.

Do łączenia tkanek miękkich stosuje się dwie podstawowe metody - nici oraz kleje. Do produkcji nici stosuje się politereftalan etylenu, politereftalan butylenu, kopolimer tereftalanu etylenu i tereftalanu butylenu, PP, PE, PA 6 i 6,6, PTFE; białka, polisacharydy (jedwab, bawełna), kolagen, polihydroksykwasy.

Dostępne kleje są oparte na polimerach naturalnych:

- oparty na fibrynogenie

- tzw. klej GRF - oparty na żelatynie, rezorcynie i wodzie.

Zaledwie kilka klejów opartych jest na polimerach syntetycznych. Główną przyczyną wydaje się być fakt, że dobre własności klejące mają polimery otrzymywane z silnie toksycznych i potencjalnie rakotwórczych monomerów. Stosuje się kleje oparte na cyjanoakrylanach. Ich wadą jest uwalnianie formaldehydu oraz cyjanku zachodzące podczas procesu polimeryzacji.

4.6. Naprawa i regeneracja tkanek i narządów wewnętrznych.

Naprawa - prowadzi do odtworzenia brakującego lub uszkodzonego fragmentu tkanki, która choć spełnia swe funkcje, jest jednak odmienna od tkanki oryginalnej. Regeneracja - powoduje odtworzenie tkanki lub narządu, które są identyczne z oryginalnymi.

4.7. Polimery w inżynierii tkankowej i genetycznej.

W wielu sytuacjach użycie samego implantu, a nawet implantu w połączeniu z czynnikami wzrostu może okazać się niewystarczające do zregenerowania uszkodzonych tkanek i narządów. Ma to np. miejsce w leczeniu uszkodzeń chrząstki stawowej.

Przyszłość zabiegów chirurgicznych wydaje się być związana z użyciem implantów drugiej generacji. Implanty takie będą się najprawdopodobniej składały z matrycy polimerowej, zmodyfikowanej przy wykorzystaniu inżynierii tkankowej lub genetycznej. Implanty mogą dodatkowo zawierać czynniki wzrostu.

Inżynieria genetyczna stosuje natomiast wektory genetyczne pozwalające na wprowadzanie do komórki kodu DNA. Wynikiem takiego zabiegu jest produkcja przez komórki pożądanego czynnika wzrostu.

4.8. Polimery jako leki.

Polimery są dość powszechnie stosowane jako nośniki leków. Aktywność farmakologiczna takiego nośnika jest wynikiem uwolnienia dołączonego do niego leku. Odrębną grupę stanowią polimery, których aktywność farmakologiczna jest wynikiem ich budowy chemicznej. Warto wspomnieć, że monomery użyte do syntezy polimerów farmakologicznie czynnych nie posiadają takich właściwości, jak otrzymany gotowy polimer. Przykładem jest szeroko badany kopolimer eteru diwinylowego i bezwodnika maleinowego. Stwierdzono, że polimer ten ma badanie przeciwrakowe, przeciwwirusowe, przeciwbakteryjne, przeciwgrzybiczne. Prowadzone są też intensywne badania nad uzyskaniem nowych leków polimerowych o działaniu przeciwrakowym, które odznaczają się minimalnymi działaniami ubocznymi.

5. Wnioski końcowe.

Polimery biomedyczne należą do tej grupy biomateriałów, której znaczenie w medycynie stale wzrasta. Aktualnie trendy badań w dziedzinie polimerów biomedycznych obejmują następujące dziedziny:

- syntezę nowych polimerów biostabilnych o podwyższonej odporności na działanie środowiska biologicznego;

- syntezę nowych polimerów bioresorbowalnych o podwyższonej biozgodności i optymalnych czasach degradacji;

- otrzymywanie struktur polimerowych o własnościach zbliżonych do własności tkanek biologicznych;

- produkcję trójwymiarowych porowatych struktur nośnych dla uwalniania leków, inżynierii tkankowej i terapii genowej;

- uzyskiwanie elementów strukturalnych o rozmiarach w przedziale od kilku do kilkudziesięciu nanometrów, które mogą być wykorzystywane jako nośniki komórek oraz materiały o unikalnych własnościach biologicznych i mechanicznych.

6. Literatura.

• S. Błażewicz, L. Stoch „Biomateriały” t.4

• www.wynalazki.mt.com.pl/wyn/serce.html

• www.archiwum.wiz.pl/2000/00023200.asp

• www.chir-plast.com.pl

16

---