polimery biomedyczne

POLIMERY BIOMEDYCZNE
Wiadomości zebrała Anna Szymańska-Węckowska
Polimery biomedyczne to polimery używane w medycynie. Zaliczyć do nich można
zarówno polimery syntetyczne, jak również biopolimery – związki wielkocząsteczkowe
wytwarzane przez organizm – oraz modyfikowane pochodne biopolimerów.
Polimery biomedyczne dzieli się na pięć grup zastosowań:
 gdy zewnętrzne części organizmu z materiałem polimerowym stykają się przez krótki
czas podczas diagnozowania czy rehabilitacji; można tutaj wymienić: łopatki, wzierniki,
strzykawki, elementy mocujące elektrody, a nawet szczoteczki do zębów;
 gdy zewnętrzne części organizmu stykają się z materiałem polimerowym przez
dłuższy czas; do tej grupy należą między innymi: protezy kończyć, protezy dentystyczne,
soczewki kontaktowe, protezy części twarzy;
 do budowy narzędzi, urządzeń i części aparatury; przykładowo: przewody, rurki
i dreny, części aparatury do hemodializy i hemoperfuzji;
 do budowy części wszczepianych na stałe wewnątrz organizmu; do tej grupy
zaliczyć można: nici chirurgiczne, kleje do klejenia tkanek, protezy stawów, sztuczne
zastawki serca, protezy naczyń krwionośnych, sztuczne rogówki, protezy ścięgien;
 polimery używane jako środki farmakologiczne wprowadzające leki do organizmu
oraz środki krwiozastępcze.
Wszystkie wymienione grupy polimerów biomedycznych, aby móc znaleźć
zastosowanie do użycia w kontakcie z organizmem, muszą spełniać kilka najważniejszych
warunków. Polimery te musi cechować łatwość w utrzymaniu ich w czystości, łatwość
wyjaławiania oraz czyszczenia, a co za tym idzie, konieczne jest, aby były one odporne na
działanie środków myjących, chemicznych oraz odkażających, czynników fizjologicznych,
wysokiej temperatury, a także promieniowania rentgenowskiego. Polimery stosowane do
wszczepów musi cechować biozgodność. Oznacza to, iż same polimery jak i produkty ich
biodegradacji nie mogą powodować alergii, reakcji mutagennych oraz immunologicznych,
stanów zapalnych. Materiały takie nie mogą również reagować z krwią i układem kostnym,
także wywoływać żadnych innych reakcji, a szczególnie toksycznych.
Wymagania stawiane polimerom w użyciu farmaceutycznym są znacznie wyższe.
W tym przypadku ważna jest nie tylko wiedza na temat braku ich reakcji ubocznych, ale
także ważna jest wiedza na temat samej budowy cząsteczki i jej reakcji z organizmem. Im
większa masa cząsteczkowa polimeru użytego w farmaceutyku, tym dłuższy czas jego
wydalania. Większe polimery są nawet kumulowane w organizmie. Przykładem takim może
być poliwinylopirolidon, którego cząsteczki o masie cząsteczkowej ok. 10 000 są usuwane
z organizmu wraz z moczem w ciągu kilku dni od zażycia. Jeżeli natomiast masa
cząsteczkowa użytego poliwinylopirolidonu wyższa jest od 40 000, to jest on wtedy
gromadzony w nerkach, wątrobie oraz szpiku kostnym.
Polimery stosowane najczęściej do produkcji pomocniczego sprzętu medycznego to:
polietylen, polipropylen, poli(chlorek winylu), poliamidy. Z polietylenu oraz polipropylenu
produkowane są między innymi rękawiczki ochronne, strzykawki, naczynia laboratoryjne,
pojemniki, butelki, ściany namiotów tlenowych, rozgałęźniki i łączniki do drenów. Przykład
1
sprzętu medycznego produkowanego z poli(chlorku winylu) stanowią cewniki, wzierniki,
ustniki do podawania powietrza, rurki i pojemniki do przetaczania krwi.
W przypadku protez i wszczepów zastępujących części organizmu stosuje się podobne
polimery jak wymienione wyżej. W celu rekonstrukcji uszu używane są: polietylen,
poliakrylan, poli(chlorek winylu) i silikony. Sztuczne zęby produkowane są z poliakrylanów.
Poli(chlorek winylu) oraz poliestry to materiały służące do budowy wszczepów do żył
krwionośnych, płuc, nerek, wątroby oraz żołądka. Tchawicę odbudowuje się dzięki
zastosowaniu poliakrylanów, nylonu oraz silikonów. Wszczepy części kostnych są możliwe
dzięki użyciu polietylenu, poliakrylanów, nylonu oraz poliuretanów. Sztuczne stawy
zbudowane są zazwyczaj z poliuretanów i silikonów.
Polimery do użycia w medycynie muszą być specjalnie modyfikowane. Modyfikacja ta
polega głównie na zwiększeniu ich adhezji i kohezji, a także na nadaniu materiałowi
hydrofilowości, zwiększeniu jego ogólnej wytrzymałości i nadaniu mu istotnych dla celów
użytkowych właściwości.
Modyfikację polimerów biomedycznych można przeprowadzić metodami chemicznymi
oraz fizycznymi. Do metod chemicznych zalicza się główne metody:
 ozonową: powierzchnię polimeru poddaje się działaniu ozonu, a efekt zależny jest od
czasu reakcji, który zazwyczaj waha się od kilku sekund do kilku minut;
 utleniania tlenem singletowym w reaktorach plazmowych;
 działania środkami silnie utleniającymi – np. roztworami dichromianu(VI) sodu, lub
manganianu(VII) potasu – w roztworze kwasu siarkowego(VI);
 reakcji z chlorowodorem, bromowodorem, lub jodowodorem;
 przeprowadzania silaniazacji za pomocą n-propylotrimetoksysilanu;
 przeprowadzania polimeryzacji szczepionej;
 dołączania lekarstw do grup funkcyjnych na polimerach za pomocą odpowiednich
reakcji.
Do metod fizycznych modyfikacji powierzchni polimerów zaliczają się głównie:
 wyładowania koronowe w powietrzu za pomocą plazmy niskotemperaturowej
wytwarzanej elektrycznie w czasie 0,01-0,1 s;
 wyładowania plazmowe w powietrzu, argonie, tlenie, helu, chlorze za pomocą
plazmy niskotemperaturowej wytwarzanej w wyniku działania fal radiowych w czasie od
sekund do minut;
 oddziaływanie promieniowaniem elektronowym w akceleratorach elektronów
wysokiej energii;
 oddziaływanie promieniowaniem radiacyjnym wytwarzanym przez źródło
wypalone pręty z reaktorów atomowych;
60
Co lub
 oddziaływanie promieniowaniem ultrafioletowym;
 oddziaływanie promieniowaniem laserowym.
W dalszej części opracowania zostaną opisane dokładne przykłady zastosowania
niektórych polimerowych materiałów biomedycznych.
2
Do wytwarzania protez stomatologicznych używa się poli(metakrynalu metylu)
z domieszkami kopolimerów metakrylanu metylu i – w niewilkich ilościach - metakrylanu etylu
lub metakrylanu butylu. Tak stworzony kopolimer cechuje łatwość barwienia podczas
wytwarzania, odporny jest on na działanie większości związków występujących
w pożywieniu, nie niszczy go flora bakteryjna jamy ustnej, łatwo się go czyści.
Protezy szczękowe wytwarzane są na formach gipsowych z mieszanek proszku
i płynu. Proszek składa się z homo- i kopolimerów akrylowych głównie poli(metakrylanu
metylu), katalizatora - którym najczęściej jest nadtlenek benzoilu - oraz pigmentów. Płyn to
mieszanina monomerów metakrylanu metylu z domieszką innych monomerów akrylowych,
hydrochinonu - który jest inhibitorem polimeryzacji zapobiegającym reakcji płynu podczas
przechowywania - oraz barwników rozpuszczalnych w monomerze. Po wymieszaniu proszku
i płynu w odpowiednich proporcjach i umieszczeniu mieszaniny w formie, całość poddaje się
polimeryzacji w temperaturze 60-100 °C.
Sztuczne zęby oraz wypełnienia zębów składają się z usieciowanej mieszaniny
monomerów dimetakrylanu etylu oraz metakrylanu Bisfenolu A. Polimeryzacja jest
fotoinicjowana światłem widzialnym o długości fali 400-600 nm. Fotoinicjatorem jest tutaj
kamforochinon zmieszany z koinicjatorem w postaci aminy aromatycznej, np. N,N’-dimetylop-toluidyną. W celu zwiększenia odporności sztucznych zębów i plomb dentystycznych, do
mieszaniny przed polimeryzacją dodaje się nawet do 70% masowych wypełniacza,
najczęściej jest nim sproszkowane szkło nieorganiczne.
Pierwsze soczewki kontaktowe zbudowane były z poli(metakrylanu metylu). Jednak ich
istotną wadą był zupełny brak przepuszczania tlenu do rogówki. Zaczęto więc produkcję
soczewek kontaktowych z użyciem hydrożeli, co zapewniało dostęp tlenu do rogówki
poprzez warstwę wodną hydrożelu. Wytwarzano soczewki ze słabo usieciowanego
poli(metakrylanu 2-hydroksyetylu). Później używano usieciowanych kopolimerów
metakrynalu metylu oraz metakrylanu glicerolu. Jednak wadą takich hydrożeli była ich
miękkość i łamliwość. W chwili obecnej soczewki kontaktowe produkowane są ze słabo
usieciowanych kopolimerów opartych na metakrylanie metylu oraz metakrylanie
tris(trimetylosiloksy)sililopropylu. Taki skład zapewnia im odpowiednią wytrzymałość oraz
przepuszczalność dla tlenu.
Protezy ścięgien wykonywane są z gęstej tkaniny poliestrowej, przechodzącej
w luźniejszą siatkę na jej końcach. Taki układ pozwala na łatwe przymocowanie mięśni
i kości do ścięgien, które potem wiązane są biologicznie dzięki przerastaniu tkanki chorego.
Protezy stawów biodrowych w chwili obecnej wykonywane są z polietylenu o masie
cząsteczkowej powyżej 1 000 000.
Protezy stawów palców ręki i nadgarstka wykonywane są z usieciowanego kauczuku
silikonowego.
W ostatnich latach uwagę przyciągają bioresorbowalne protezy kości, które wypełniają
ubytek kostny, a następnie stopniowo są w organizmie rozkładane i zastępowane przez
tkankę kostną. Protezy takie składają się z homo- i kopolimerów laktydu i glikolidu oraz
kopolimerów laktydu z glikolidem. Zróżnicowanie składników w wymienionych mieszaninach
pozwala na uzyskanie materiałów różniących się właściwościami mechanicznymi oraz
podatnością na bioresorpcję. Poli(D,L-laktyd) daje protezę o temperaturze topnienia
wynoszącej 60 °C oraz znaczne wydłużenie przy zerwaniu równe 8,7%. Natomiast poli(Llaktyd) pozwala na uzyskanie protezy o temperaturze topnienia równej 170 °C i wydłużeniu
przy zerwaniu wynoszącym 2,1%. Czas połowicznej bioresorpcji w przypadku poliglikolidu
3
wyniósł 5 miesięcy. W przypadku kopolimeru poli(glikolid/L-laktyd) (1/1) czas zmniejszył się
do 1 tygodnia. Natomiast w przypadku poli(L-laktydu) ten sam czas wyniósł ponad pół roku.
Najnowsze badania pozwoliły na uzyskanie biodegradowalnego oraz całkowicie
resorbowalnego terpolimeru, który powstał w wyniku kopolimeryzacji trimetylenowęglanu,
laktydu oraz glikolidu w obecności inicjatorów będących niskotoksycznymi związkami
cyrkonu lub cynku.
Układy multiblokowe typu poli(alifatyczno/aromatycznych-estrów), poli(estro-amidów),
poli(estro-bezwodników) lub poli(estro-uretenów), terpolimerowych poli(estro-etero-estrów)
oraz poli(alifatyczno/aromatycznych-estro-silikonów) z udziałem dimeryzowanych kwasów
tłuszczowych i ich pochodnych stwarzają możliwość projektowania polimerów funkcjonalnych
nowej generacji. Mogą one służyć w chirurgii rekonstrukcyjnej, w protezowaniu tkanek
miękkich w postaci włókien, materiałów litych lub porowatych.
Poliuretan składający się z poli-ε-kaprolaktonu zakończonego grupami hydroksylowymi
oraz diolu oligo(p-dioksanonu) sprzężony izocyjanianem został użyty jako samozaciskający
się szew chirurgiczny. Na razie jednak użycie tego polimeru w medycynie nie wykroczyło
poza fazę eksperymentalną.
Środki krwiozastępcze to roztwory soli i związków wielkocząsteczkowych. Związki
wielkocząsteczkowe stosowane są w celu zbliżenia ciśnienia osmotycznego oraz lepkości
środków krwiozastępczych do ciśnienia osmotycznego oraz lepkości krwi. Kiedyś najczęściej
stosowanymi polimerami w środkach krwiozastępczych były modyfikowane biopolimery:
dekstran, pektyny itp. W chwili obecnej najczęściej stosowany jest poliwinylopirolidon
o średniej masie cząsteczkowej wynoszącej 40 000. Wprowadzenie nawet 3 litrów środka
opartego na poliwinylopirolidonie do organizmu nie daje żadnych objawów ubocznych. Wadą
użycie polimeru o tak wysokiej masie cząsteczkowej jest jego kumulacja w organizmie.
Dosyć dużą popularnością cieszą się polimery w farmacji. Są one używane jako środki
pomocnicze do maści zasypek, kremów itp. Jako osłony biologiczne stanowią podstawę
kontrolowanego uwalniania leków. Mogą również same być lekiem.
Polimerowe hydrożele mogą być stosowane do mikroenkapsulacji komórek lub
enzymów, a także jako polimery reagujące na bodźce środowiskowe. Indukowane
czynnikami zewnętrznymi zmiany objętości lub rozpuszczalności wykazują np. poli(alkohol
winylowy), poli(N-izopropyloakryloamid), poli(kwas akrylowy), poli(etero-węglany) itp.
Kopolimer eteru diwinylowego i bezwodnika maleinowego wykazuje silne działanie
przeciwnowotworowe
oraz
przeciwwirusowe.
Również
poli(winylouracyl)
oraz
poli(winyloadenina) używane są jako leki przeciwwirusowe. Kopolimer poli(N-metakryloilo-4aminobenzenosulfamidu) i N-winylopirolidonu jest silnym i długo działającym środkiem
antybakteryjnym.
Morfina dołączona do nośnika polimerowego wykazuje przedłużone działanie
przeciwbólowe. Penicylina dołączona do kopolimeru poli(alkoholu winylowego) i winyloaminy
zachowuje aktywność 30-40 razy dłużej niż wolna penicylina.
Powłoki z kopolimeru octanu winylu i N,N’-dietylowinyloaminy rozpuszczają się bardzo
dobrze w kwasie żołądkowym i uwalniają substancje aktywne kilka minut od zażycia. Powłoki
z kopolimeru kwaśnego ftalanu winylu i octanu winylu nie rozpuszczają się w kwasach, tylko
w jelitach, gdzie pH przekracza 8.
Jak widać z powyższych przykładów, zastosowanie polimerów w medycynie jest
bardzo szerokie i z roku na rok rozwija się coraz bardziej. Jest to powodowane szukaniem
4
coraz lepszych sposób na zastępowanie środków naturalnych w medycynie, a także chęcią
ciągłego doskonalenia już osiągniętych przez nas możliwości.
Literatura:
1. „Chemik” 2010, 64, 2, 87-96, artykuł pt. „Biodegradowalne polimery z pamięcią
kształtu do zastosowań medycznych” , A. Jaros, A. Smola, P. Dobrzyński,
J. Kasperczyk;
2. „Współczesna wiedza o polimerach” J. Rabek, Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa 2008;
3. „Chemia polimerów” tom III, praca zbiorowa pod redakcją Z. Florjańczyka
i S. Penczka, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1998;
4. www.elastomery.pl;
5. www.plastech.pl
5