АНАЛИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

ANALYSIS OF POLYMERIC MATERIALS USED FOR THE PRODUCTION OF MEDICAL DEVICES

Nikita Noskov

Senior operator of the biomedical research department,

Russia, Anapa

Daniil Tsiluiko

Junior researcher of the biomedical research department,

Russia, Anapa

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются основные термопластичные полимеры, применяемые в медицинской промышленности, в частности при производстве различных фиксирующих устройств, используемых в лучевой терапии. Проведен анализ физико-механических свойств термопластов. Выделены преимущества и недостатки выбранных термопластичных полимеров.

ABSTRACT

The article deals with the main thermoplastic polymers used in the medical industry, in particular in the production of various fixation devices used in radiation therapy. The physical and mechanical properties of thermoplastics are analyzed. Advantages and disadvantages of selected thermoplastic polymers are highlighted.

Ключевые слова: термопластичные полимеры; лучевая терапия; медицинские изделия; фиксирующие приспособления.

Keywords: thermoplastic polymers; radiation therapy; medical devices; fixation devices.

Одним из трех основных методов лечения онкологических заболеваний является лучевая терапия. Лучевая терапия – это метод терапии, основанный на применении ионизирующего излучения, при котором энергия передается в ткани человека на короткий промежуток времени, вызывая при этом биохимические, морфологические и функциональные изменения в клетках и тканях.

В западных странах за последнее время эффективность лучевой терапии при раке головы и шеи возросла с 30 % до 80 %. Однако, лучевая терапия нуждается в совершенствовании из-за внутренней и внешней резистентности, которая присутствует в опухолях. Лучевая терапия работает с помощью таких механизмов, как нацеливание на активные формы кислорода (АФК) и нацеливание на гипоксию и индукцию повреждений ДНК. В настоящее время не менее 50 % онкологических пациентов нуждаются в проведении лучевой терапии на том или ином этапе лечения.

В условиях конформной лучевой терапии, подводимые к опухоли высокие дозы излучения, наличие расположенных рядом критических органов и структур, длительность курса лучевой терапии требуют точного повторения положения пациента во время каждого сеанса терапии. Качественная фиксация, обеспечивающая точность и воспроизводимость укладки пациента, позволяет более точно и равномерно облучить опухоль, уменьшив отступ от клинического объема мишени, уменьшить нецелевую дозу облучения для окружающих тканей и критических органов, снизить частоту и выраженность ранних и поздних лучевых повреждений [1, с.56].

Для достижения качественной фиксации и уменьшения погрешности положения при проведении сеанса, используют специальные фиксирующие устройства. Их можно условно разделить на стандартные, приспособленные для облучения мишени в определенной части человеческого тела и индивидуальные.

Рассмотрим основные виды фиксирующих приспособлений:

• Комбиборды (предназначены для проведения диагностики и лучевой терапии грудной клетки и молочной железы, а также головы, шеи и плеч);
• Беллиборды (устройства для позиционирования пациента при лучевой терапии абдоминальной области);
• Опорные пластины и подставки (совместимы с деками и накладками диагностических и терапевтических столов); 
• Вакуумные матрасы и подушки (предназначены для иммобилизации тела пациента или его части); 
• Фиксирующие шлемы для лица и головы (изготавливаются индивидуально для каждого больного на основе шаблонов индивидуальных гипсовых слепков головы пациента). 

Использование многофункциональных полимерных материалов в производстве фиксирующих приспособлений, применяемых при сеансах лучевой терапии, позволяет создавать устройства, сочетающие в себе легкость и прочность. Например, композиты на основе термопластов могут быть легко формируемыми, что позволяет выполнять адаптацию под уникальные анатомические особенности пациента на этапе подготовки, выдерживая при этом точность размеров изделия. Это минимизирует время, необходимое для установки устройства, и делает процедуру более комфортной и безопасной. Основными материалами являются такие термопластичные полимеры, как полиамид (ПА) и полиэтилен (ПЭ), которые обладают высокой прочностью и стабильностью формы при нагревании. Они состоят из нитеобразных (цепных) макромолекул, которые переплетаются, подобно волокнам фетра, или могут быть связаны между собой, частично образуя кристаллическую структуру [2, с.17]. В таком состоянии пластмасса характеризуется твердостью и хрупкостью. С повышением температуры молекулы начинают перемещаться и силы притяжения между ними уменьшаются. В результате пластмасса приобретает эластичность. Эти материалы позволяют создавать индивидуальные формы, которые при контакте с тёплой водой формируются по форме тела пациента, точно повторяющие его контуры. Рассмотрим основные физико-механические свойства термопластов (Таблица 1).

Таблица 1.

Физико-механические свойства термопластов

Полиэтилен может эксплуатироваться при температурах от -70°C до +90°C. В то время, как полиамид более устойчив к горячей воде и его температурный диапазон составляет от -40°C до +160°C.   Полиамид имеет гладкую поверхность, за счёт этого пластик может противостоять истиранию лучше, чем другие пластмассы, также ему присущи хорошие механические свойства, позволяющие использовать его в различных областях и сложных условиях. Однако, полиэтилен обеспечивает превосходную прочность как в высокотемпературных, так и в низкотемпературных средах, более экономичный при затратах на использование и изготовление различных изделий. В отличие от других видов полимеров сочетает гибкость с устойчивостью к ультрафиолету и препятствует воздействию кислоты, щёлочи и растворителя.

Наиболее распространенным устройством для иммобилизации головы и шеи в лучевой терапии, изготовленным из термопластов, является термопластичная фиксирующая маска. Основные характеристики фиксирующих масок, помимо прочности и стабильности формы, является температура размягчения в водяной или сухой бане от +65°С до +72°С, время размягчения и затвердевания 3-5 минут, минимальная усадка и адгезия маски к коже, а также «память формы», что позволяет использовать маски несколько раз [3, с.11].

Полиметилметакрилат - синтетический, термопластичный и прозрачный пластик, который активно применяется при производстве подголовников для фиксации головы пациентов во время сеанса лучевой терапии, обеспечивая необходимую визуализацию во время лучевой терапии, не искажая получаемые изображения и рентгенопрозрачный материал.

Металлические элементы, такие как алюминий и нержавеющая сталь, используются для создания каркасных конструкций, которые придают фиксирующим устройствам жесткость и устойчивость. Некоторые изделия также могут содержать инертные наполнители, такие как силикон или гель, которые улучшают амортизацию и защищают кожу пациента от травм.

Еще одно применение термопластичных полимеров - вакуумные матрасы и фиксирующие пакеты, которые в полуспущенном состоянии заполнены шариками из полиуретана. После того, как моделируется лечебное положение пациента, воздух из пакета удаляется вакуумным компрессором и форма пакета становится жёсткой [5, с.18].

При производстве изделий медицинского назначения выбор материалов имеет ключевое значение для обеспечения их функциональности и безопасности. Полиамид отличается высокой прочностью и стойкостью к химическим воздействиям, что делает его идеальным для создания прочных конструкций. Полиэтилен, в свою очередь, часто используется благодаря своей легкости и гибкости, предоставляя отличную биосовместимость и низкую токсичность. Радиоупрозрачные композиты находят применение в медицинской визуализации, обеспечивая стабильность и легкость, а также надежную защиту от электромагнитного излучения. В лучевой терапии полиуретан используется для изготовления защитных экранирующих элементов, которые обеспечивают безопасность как пациентов, так и медицинского персонала, минимизируя воздействие ионизирующего излучения. Кроме того, полиуретановые покрытия могут улучшать скольжение инструментов и облегчать их манипуляцию, что особенно важно в процессе наведения на мишень, а благодаря своей способности адаптироваться к различным формам и размерам, полиуретан позволяет разрабатывать индивидуализированные решения для каждого пациента. Полиизопреновый каучук (поливик), как термопластичный материал, обладает высокой прочностью на сжатие и устойчив к агрессивным средам, что делает его подходящим для длительного контакта с организмом. Полиметилметакрилат демонстрирует превосходную прозрачность и легкость, что важно для прозрачных медицинских устройств, при этом обладая хорошей ударной прочностью.

Важно отметить, что все используемые материалы биосовместимы и долговечны, что позволяет обеспечить безопасность и эффективность лечения. Таким образом, каждый из этих материалов имеет свои уникальные характеристики, что позволяет инженерам выбирать наиболее подходящие решения для конкретных медицинских изделий.

Список литературы:

1. Белова В.П., Глеков И.В. Конформная лучевая терапия в детской онкологии. //Онкопедиатрия. – 2015; – Т. 2 (1): – С. 54 – 60
2. Гомзяк В.И., Демина В.А. Биоразлагаемые полимерные материалы для медицины: от импланта к органу. //Тонкие химические технологии. – 2017. – Т. 12. – № 5. – С. 5-20.
3. Лось Д.М., Шаповалов В.М. Применение полимерных материалов для изделий медицинского назначения. //Проблемы Здоровья и Экологии. – 2020; – № 64(2). - C. 5-13
4. Масленников Д.Н., Невзоров А.Ю. Клинический опыт применения термопластов (мнение пациентов). //Бюллетень медицинских интернет-конференций. – 2014. – С. 225-227.
5. Широкова Е.С., Веснин Р.Л. Материалы на основе термоэластопластов для применения в медицине и фармацевтической промышленности. //Вестник технологического университета. – 2016. – Т. 19, №1. - C. 17-21
6. Шереметьев С.В., Сергеева Е.А. Использование полиэфирэфиркетона в медицине и других отраслях промышленности. //Вестник казанского технологического университета. – 2012. – С. 105-107.
7. Трофимова О.П., Ткачев С.И. Прошлое и настоящее лучевой терапии в онкологии. // Клиническая онкогематология. – 2013. – Т. 6, №4. - C. 355-363.