Пресс-центр
Последние события и самая актуальная информация о деятельности Фонда инфраструктурных и образовательных программ.
19 августа 2019

Полимеры в медицине. Инженер Анастасия Тетерина о структуре полимеров, истории их применения в медицине и протезах из полимеров

Из чего делают протезы? Как полимеры помогают восстанавливать кожу и кости? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (Группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Наука о полимерах начала свое развитие и сформировалась как самостоятельная область знаний примерно в середине 1950-х годов. В переводе с греческого полимер означает «много частей». То есть это вещество, в котором несколько звеньев-мономеров объединено в одну макромолекулу. Природа данного материала может быть разнообразной, поэтому его применение тоже будет разнообразно.

Можно выделить две большие группы полимерных материалов: синтетические и природные. Синтетические полимеры получают методом химических реакций. Существует два основных механизма получения полимеров — это реакция поликонденсации и реакция полиприсоединения. Природные синтезируются самостоятельно методом биосинтеза в клетках живых организмов и потом методами экстракции, фракционного осаждения или другими выделяются из растительного или животного сырья.

Началом использования полимеров в медицине можно считать конец XVIII века, когда в хирургии был впервые применен каучук как биомедицинский материал. Спустя сто лет впервые используется целлулоид для закрытия костных дефектов при хирургических операциях на черепных коробках. Потом совместными усилиями стоматологов, хирургов, химиков и биологов создается широкий спектр полимерных материалов на основе акриловых смол, которые нашли свое широкое применение в изготовлении протезных изделий: зубных, глазных и челюстно-лицевых.

Сегодня в медицине более 3000 наименований медицинских изделий, включающих в свой состав биополимеры. Остановимся на самых известных. Например, полипропилен — это синтетический полимер, который мы часто встречаем в быту. В медицине он широко применяется для сердечно-сосудистой хирургии, в первую очередь для клапанов сердца, сосудов, а также в качестве шовного материала и нитей. Второй полимер — это поливинилхлорид, использующийся в травматологии, хирургии, гинекологии. Его применяют в дефектах, требующих высокой износостойкости и низкой скорости резорбции, то есть способности к растворению в среде организма. Сейчас медицина и медицинские технологии направлены на то, чтобы не просто замещать дефект костных тканей, а восстанавливать дефект и функции организма, поэтому используются рассасывающиеся материалы, то есть материалы, которые в среде организма постепенно растворяются, позволяя прорастать натуральной костной или иной ткани человека.

Рассасывающиеся материалы используются в тканевой инженерии. На слуху у нас металлические конструкции, материалы на основе титана и его сплавов, а также керамические материалы — это фосфаты кальция, циркониевая керамика. У всех подобных материалов существует ряд недостатков. В частности, можно выделить чрезмерную жесткость или хрупкость. Полимерные материалы, безусловно, занимают свою нишу в этой области и позволяют нивелировать некоторые негативные аспекты применения металлических материалов. В чистом виде полимеры мало используются для замещения дефектов костных тканей. Но несколько лет назад был создан имплантат губчатой костной ткани на основе полиэтилена, который прошел предклинические испытания и сейчас достаточно успешно, судя по публикациям, проходит клинические испытания. Однако данный подход учеными не очень сильно востребован, поскольку основное направление — это воссоздание естественной костной ткани.

Как известно, костная ткань представляет собой органическую и неорганическую составляющую. Поэтому перспективны для замещения дефектов костной ткани композиционные материалы на основе полимерной составляющей — она может быть как синтетического, так и природного происхождения — и неорганической составляющей. Чаще всего для этих целей используют керамические наполнители — в частности, фосфаты кальция, трикальцийфосфат, гидроксиапатит, октокальциевый фосфат, поскольку по своему фазовому составу они близки к неорганическому составу естественной костной ткани человека.

При этом композиционные материалы используются не только для создания скаффолдов на основе полимера и керамического наполнителя. Одним из активных применений этих материалов являются гидрогели. Их можно использовать для непосредственного заполнения дефектов без операционного вмешательства и полостной операции. То есть это гидрогель, который закачивается в шприц и вводится через иглу в костный дефект под контролем УЗИ. Соответственно, хирург не проводит полостную операцию. Нагрузка на пациента гораздо меньше, и восстановление происходит существенно быстрее. При этом материал, попадая в организм, твердеет под воздействием химических реакций.

Второе направление гидрогелей — чернила для трехмерной печати. В современном мире быстро развиваются аддитивные технологии, в частности трехмерная печать и электроспиннинг. Одним из оптимальных и подходящих для печати материалов являются гидрогели. В материаловедении, особенно в биомедицине, чаще печатают композиционными гидрогелями с дополнительными наполнителями. Трехмерная печать позволяет создать трехмерную конструкцию, полностью совпадающую с дефектами пациента, то есть персонализированную по компьютерной томографии. В костной ткани существует множество материалов, которые могут составить конкуренцию полимерам либо полностью вытеснить их из этой ниши. Но существуют области медицины, в которых биополимеры сейчас не имеют никакой альтернативы.

Одним из таких направлений можно считать создание искусственного кожного покрова человека, то есть тканевых эквивалентов кожных покровов. Для этих целей сейчас используют консервативные методы при лечении ожогов и ран. Увеличивается количество больных с поздними осложнениями сахарного диабета, которые требуют трансплантации кожных покровов. Главным методом для замещения и восстановления кожных покровов сейчас является аутотрансплантация, то есть взятие кожи от самого пациента. Этот метод используется во всех странах и фактически не имеет никакой альтернативы, но он неперспективен для дальнейшего использования, поскольку практически нет возможности изъять ткани у самого пациента. Соответственно, закрытие обширных кожных дефектов не представляется возможным. Дополнительно стоит отметить, что в случае изъятия ткани у самого пациента возникает дефицит плазмы, электролитов, возможное возникновение инфекции, суперинфекции, что приводит к негативным последствиям и затягивает выздоровление пациента.

Также широко используются донорские ткани от рыб. Рыбья кожа — в частности, используется кожа тилапии — содержит в себе коллаген первого и второго типа, который присутствует в коже человека и хорошо биосовместим. Но использование этого метода не дает стопроцентного выздоровления пациента, поскольку происходит длительное и болезненное рубцевание. Помимо этого, специфическое обеззараживание этих материалов приводит к большому проценту развития инфекций и суперинфекций.

Клеточные технологии, к сожалению, не имеют достаточной законодательной базы для своего развития, а также еще слишком дороги и не могут быть использованы на большом проценте пациентов. Поэтому альтернативы, кроме как создания матриксов, скаффолдов, тканевых эквивалентов для замещения кожных покровов на основе полимеров, на данном этапе развития науки не существует. Для создания тканевых эквивалентов чаще всего используют природные биополимеры, поскольку их биосовместимые свойства гораздо выше, чем у синтетических. Научными коллективами мира широко используются и применяются материалы на основе коллагена, поскольку это наш дермальный белок, который содержится в коже человека. Он обладает максимально высокой совместимостью с нашей дермой и позволяет ускорить регенеративный потенциал. Однако его применение связано с рядом значительных осложнений, которые вызывают опасения у научных коллективов, поскольку коллаген может вызывать отторжение, а также являться переносчиком генетических заболеваний.

В последние годы основной тенденцией в создании тканевых эквивалентов кожных покровов стали материалы на основе растительных биополимеров. Среди них можно выделить материалы последних разработок — это материалы на основе альгината натрия, которые успешно проходят предклинику, клинические испытания и даже выходят на современный рынок биоматериалов. Также всем известные, встречающиеся на кухне полимеры для десерта — желатин, пектин, которые тоже обладают высокой биосовместимостью и активно используются биотехнологами для создания эквивалентов кожных покровов.

Ученые сейчас нацелены не на создание скаффолда или матрикса, который просто восстанавливает ткани, органы человека и позволяет им регенерировать. Основное направление — создание биоинженерных функционализированных конструкций. В ближайшей перспективе мы сможем получать материалы на основе природных биополимеров, которые будут не просто восстанавливать кожный покров, а смогут нести в себе адресную лекарственную доставку, то есть содержать в себе лекарственные препараты, которые будут предотвращать развитие инфекций, суперинфекций и облегчать состояние больного. Также возможна функционализация подобных материалов факторами роста либо генными конструкциями, которые могут увеличивать или замедлять при необходимости регенерационный потенциал данного материала.

Увеличение материально-технической базы наших институтов и клиник, новые технологические решения, в частности аддитивные технологии, позволяют предположить, что уже в ближайшее время будет найдено решение, которое позволит усовершенствовать существующую консервативную медицину и применить современные методы лечения пациентов с разными дефектами, в том числе костной ткани и кожных покровов.

Источник: Постнаука
Опубликовано: 16 августа 2019
Автор: Анастасия Тетерина, к.т.н., научный сотрудник Института металлургии и материаловеления им. А. А. Байкова РАН