ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ В МЕДИЦИНЕ

Шереметьев Станислав Валентинович

студент 3 курса, кафедра инноватики в химической технологии, КНИТУ, г. Казань

Е-mail: 

Штейнберг Екатерина Михайловна

студент 3 курса, кафедра технологии синтетического каучука, КНИТУ, г. Казань

Е-mail: dolcheparty@gmail.com

Зенитова Любовь Андреевна

научный руководитель, д.т.н. профессор кафедры ТСК КНИТУ, г. Казань

Одним из проявлений научно-технического прогресса и связанного с ним процесса технического перевооружения современных производств являются разработка и внедрение новых видов конструкционных материалов, главным образом — полимеров и полимерных композиционных материалов (ПКМ).

Современные полимерные материалы обладают целым рядом преимуществ по сравнению с традиционными конструкционными материалами, что позволяет увеличивать производительность и срок службы оборудования, следовательно, повышать рентабельность производства, создавать конкурентные преимущества. В некоторых случаях свойства полимеров настолько уникальны, что альтернативы их применению просто не существует, в особенности, если мы говорим о полимерах нового поколения, внедренных в широкую практику в последнее десятилетие. Многие ПКМ биологически нейтральны, а определенная их часть допускает стерилизацию в автоклаве, что определяет их широкое применение в медицине.

Среди материалов, которые можно использовать для изготовления медицинских хирургических инструментов многократного применения рассмотрим полиэфиркетон и его модификации.

Для упрочнения полимерных материалов в качестве армирования, используются различные волокна: стекло-, угле-, базальто- и органоволокона, которые придают готовому продукту уникальные характеристики.

Полиэфирэфиркетон

Полиэфиркетоны (ПЭК) — ароматические полимеры (полиарилены), состоящие из фениленовых циклов, карбонильных групп и мостиковых простых эфирных групп, обеспечивающих их термопластичность.

В зависимости от содержания кетонных групп относительно эфирных от 33 % (ПЭЭК) до 67 % (ПЭКК) температура стеклования меняется от 141 до 165° С, а температура плавления от 335 до 390° С. Все ПЭК обладают высокой степенью кристалличности, зависящей от содержания кетонных групп [1]/

К основным достоинствам полиэфирэфиркетона (PEEK, ПЭЭК) можно отнести то, что он имеет высокую температуру длительной эксплуатации (от –40 до +260ºС), выдерживает кратковременное нагревание до +350º С, сохраняя при этом отличные механические свойства. Единственный в своем роде высокий предел прочности при растяжении и предел выносливости при изгибе для знакопеременного цикла (высокая вязкость и усталостная прочность). Стоек к высокоэнергетическим лучам (даже ультрафиолетовые лучи приводят только к легкому пожелтению материала). Полиэфирэфиркетон — самый устойчивый из термопластов к действию водяного пара. Имеет наименьший из пластмасс уровень выделения вредных газообразных веществ под действием открытого пламени. Характеризуется очень высокой размерной стабильностью.

ПЭЭК обладает свойством самозатухания по UL 94.

Основные характеристики ПЭЭК:

·     сверхвысокая прочность и жесткость;

·     сверхвысокая вязкость (и при низких температурах);

·     сверхвысокая температурная стойкость;

·     сверхвысокая теплостойкость;

·     не горючий;

·     сверхвысокое сопротивление ползучести;

·     хорошая стойкость к химикатам;

·     хорошие диэлектрические свойства до +260 ºС;

·     сверхвысокая устойчивость к деформации;

·     сверхвысокая стойкость к β-, γ-, рентгеновским и инфракрасным лучам;

·     высокая стойкость к гидролизу (18 bar и 260 ºС);

·     применяется для изготовления деталей, работающих при высокой температуре (до +350 °С).

Полиэфирэфиркетон применяется в медицине, для изготовления: оборудования, требующего периодической стерилизации (рукоятки инструмента, держатели ампул, зонды и т. д.); подшипниковых колец и подшипников для бормашин, колб (цилиндры) для выращивания и уничтожения бактерий; инструментов или крепежных элементов, находящихся под воздействием рентгеновского излучения, а так же медицинских имплантатов с уникальными свойствами [3].

Таблица 1.

Сравнительная характеристика разных видов ПЭЭК

Применение ПЭЭК в медицине

На сегодняшний день наиболее известными биосовместимыми материалами на основе ПЭЭК являются:

·     PEEK-OPTIMA® полимер и соединение;

·     MOTIS® полимер;

·     ENDOLIGN® композит;

·     PEEK-CLASSIX® полимер [4].

Новый биосовместимый биоматериал: композит РЕЕК / ТСР / ТiO₂

На базе композитов РЕЕК были созданы усиленные композитные волокна РЕЕК для пластинок, скрепляющих оcколки кости, и композиты РЕЕК-НА в качестве аналогичного заменителя костной ткани с опорной функцией, а также для поддерживающих конструкций при инженерии костной ткани. Инновационный композит РЕЕК, получают путём дисперсии бета-трикальций фосфата (ТСР) (10 % w / v) и оксида титана (анатаз) (10 % w/v) в матрице РЕЕК. РЕЕК / ТСР/ TiO₂, демонстрирует прекрасные механические свойства и модуль упругости, сравнимый с соответствующим показателем настоящего кортикального слоя кости: предел прочности на разрыв составил 98 МПа, модуль изгиба — 4,7 ГПа, а прочность на изгиб 16 МПа. Кроме того, на основании рекомендаций ISO 10993 «Оценка биологического воздействия медицинских изделий» (2004) были проведены тесты на цитотоксичность, системную острую токсичность, раздражение, сенсибилизацию, мутагенность (Тест Эймса, хромосомная аберрация при использовании человеческих лимфоцитов, обмен сестринских хроматид), которые в итоге показали композитную биосовместимость.

Растровая электронная микроскопия показала, что человеческие остеобласты способны закрепляться, сращиваться и размножаться на композите. Рисунок 1 показывает клеточный слой на 3 и 27 день соответственно. В данном исследовании, изучалась цитосовместимость и биоактивные свойства материала при использовании остеобластов человека.

а                                                   б

Рисунок 1 Клеточный слой на имплантанте
в процессе прикрепления клеток:
а) клеточный слой на импланте РЕЕК, 3 день;
 б) клеточный слой на 27 день

На третий день остеобласты очень хорошо распространились по поверхности изучаемого материала, а на 27 день уже представляли собой многослойную структуру. Небольшое увеличение динамики клеточной фиксации наблюдалось у композитов при негативном контроле: +12 %, Р <0,05 за 3 часа. Человеческие остеобласты лучше множились на соединении, чем на негативном контроле. Через 27 дней клеточная плотность была на 17 % выше (Р <0,02), чем на негативном контроле. Это являлось следствием уменьшения времени деления остеобластов: для контроля Т1 112 (первая фаза экспоненциального роста) — 5,5 дней, для контроля Т2 112 (вторая фаза экспоненциального роста) — 23,5 дня, тогда как для тестируемого материала Т1 112 и Т2 112 — 5 и 18,5 дней соответственно.

Активность щелочной фосфатазы (АLР): показывает повышение активности АLР (nMP/мин / 106 клеток) по истечении 3, 15 и 27 дней выращивания. По прошествии времени остеобласты показывали увеличение активности АLР как на негативном контроле, так и на исследуемом материале. Активность АLР на раннем маркере дифференциации остеобластов была значительно выше на исследуемом материале, начиная с 3 дня. В день 27 на композите РЕЕК активность АLР увеличилась на 21 % (Р <0,01) [2].

В итоге, полученные данные дают повод для более глубокого исследования, особенно в области сращения остеобластов при использовании данного композита РЕЕК-/ТСР/ТiO₂ в зубоврачебной и ортопедической практике: композит обладает прекрасными механическими свойствами и может считаться биосовместимым по нормам ISO 10993 «Оценка биологического воздействия медицинских изделий». Он благоприятствует приращению, пролиферации и дифференциации остеобластов человека, обладая биоактивностью и потенциалом к остеоинтеграции за счёт своей остеокондукции, что было подтверждено клиническими исследованиями.

Недостатком титана, кроме того, что он может образовывать гальванические пары, является еще и его твердость, намного превышающая твердость кости человека. Поэтому живые клетки кости, непосредственно примыкающие к имплантату, несущему нагрузку, испытывают значительно более высокое давление, чем это было заложено в них природой. Если рассматривать отдаленные результаты протезирования на титановых имплантатах, особенно когда имеет место нарушения прикуса, бруксизм, недостаточное количество имплантатов, ошибки протезирования и прочее, на рентгене видны области мертвых клеток кости вокруг имплантата и области разрежения кости, которые ведут к потере имплантата в дальнейшем.

Специализированное применение ПЭЭК

Полимеры могут использоваться для изготовления шовного материала, винтов, пластин и штифтов, имплантатов для позвоночника и ортопедических имплантатов, носителей действующего вещества и стентов. Правильный выбор сополимеров позволяет очень эффективно регулировать продолжительность нахождения материала в человеческом теле от нескольких недель до нескольких лет. Благодаря хорошей биосовместимости, полиэфирэфиркетон разрешен  к длительному применению в человеческих имплантантах. Благодаря частично кристаллической структуре, он имеет идеальные рентгенологические характеристики и высокую проницаемость для излучения при компьютерной и магнитно-резонансной томографии без потерь на рассеивание. ПЭЭК, так же, обладает свойством улучшать соединение кости с имплантантом, так как его модуль эластичности схож с модулем коркового слоя костной ткани. Для гарантии чистоты и отсутствия инфекций в современных технологиях стерилизации используют агрессивные химикаты, высокое давление пара в автоклавах или высокие дозы излучения, что никак не влияет на свойства и характеристики полимера.

Другим важным компонентом специализированного применения является возможность сочетания мономеров в полимерной цепи, микроструктур таких цепей, молекулярных масс и химических групп, которые в совокупности открывают множество возможностей синтеза «идеальной» молекулы определенного назначения.

Список литературы:

1.Алентьев А.Ю., Яблокова М.Ю. Связующие для полимерных композиционных материалов. М.: Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 2010. — С. 64.

2.Арман М.Ф., Кугулик Ж.П. Новый биосовместимый биоматериал [Электронный ресурс]: композит //PEEK Impantology. 2007. URL: http://www.peekimplant.ru/PEEK-kompozit.php. (дата обращения: 18.09.12).

3.Высокотехнологические инженерные пластики и изделия из них [Электронный ресурс]: PEEK (Полиэфирэфиркетон). URL: http://www.apc-group.ru/content/view/26/18 (дата обращения: 21.09.12).

4.Biocompatible-polymers [Электронный ресурс]: PEEK-Optima// Invibio® Biomaterial Solutions. 2005. URL: http://www.invibio.com/biocompatible-polymers/biocompatible-polymers.php. (дата обращения: 15.09.12).