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 60 Co lub wypalone pręty z reaktorów atomowych; 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-4- aminobenzenosulfamidu) 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