Полимеры и полимерные материалы в здравоохранении

Полимеры и полимерные материалы в здравоохранении

Использование полимерных материалов и веществ для сохранения, укрепления и восстановления здоровья человека давно уже стало привычным. Например, из 2000 лекарственных средств и препаратов, известных в древнекитайской медицине, больше половины имело полимерную природу.

И все же вслед за разработкой, промышленным освоением и широким распространением синтетических полимеров произошли существенные изменения во всей медицинской науке и практике, во всех трех группах медицинских дисциплин: гигиенической, клинической и медико-биологической, равно как и в фармакологии. При этом новые серьезные и сложные задачи встали и перед самой полимерной наукой. Выше уже упоминалось о проблемах взаимодействия полимерных материалов с окружающей средой, о том, что все в целом синтетические полимеры или, по крайней мере, большинство из них считаются стойкими к биологическому разрушению. Если говорить о сохранении прочностных свойств, о формоустойчивости и т. п., полимеры действительно в основном стабильны. А если на ту же ситуацию взглянуть с точки Зрения выделения в окружающую среду каких-то продуктов разрушения пусть в ничтожных количествах, пусть даже не очень вредных, то окажется, что современные синтетические полимеры в том виде, как их выдает химическая промышленность, не очень-то и подходят для медицинских целей.

Начнем с предметов санитарии (устаревший термин) и гигиены. Условия их эксплуатации, казалось бы, довольно мягкие: температуры от комнатной до 115° С (в сауне), давление атмосферное, окружающая среда... Вот среда-то как раз и оказывается агрессивной. Мыльница и мочалка, пластмассовая тарелка и гигиеническое судно, всевозможные бинты, салфетки и т. п., мебель, покрытие стен и пола, рукоятки хирургических и иных медицинских инструментов, вплоть до ветеринарных щипцов или животноводческих кормушек, - все это в нормальных условиях эксплуатации подвергается действию жиров, масел, кислот и щелочей. А при чистке, мойке и стерилизации и высокие температуры, и высокоактивные химические реагенты вплоть до перекисей.

Добавьте к этому высокую активность разнообразных ферментов, химическая основа многих из них пока еще не выяснена, и можете себе представить, сколь трудно обычному полимеру в этих условиях уцелеть неизмененным. С другой стороны, физиологические процессы человеческого организма, да и любые биологические процессы и реакции вообще зачастую столь чувствительны к малейшим инородным примесям, что ответственность химика-полимерщика за устойчивость полимерного, материала возрастает, во много раз. И не только за устойчивость самого полимера, но и за его чистоту. Для изготовления санитарно-гигиенических сортов полимерных изделий и материалов приходится разрабатывать особые специальные методы очистки полуфабрикатов, а иногда даже новые методы их синтеза, исключающие возможность появления потенциально вредных примесей и загрязнений.

О том, что химики успешно справляются с проблемой получения высокочистых полимеров, убедительно свидетельствует сам факт все более широкого внедрения синтетических полимерных материалов не только в гигиену, но и в области клинической, лечебной медицины. Диапазон описанных случаев клинического применения синтетических полимеров необычайно широк. Прежде всего это относится к лекарствам. Специалисты выделяют два основных направления в практическом применении полимерных материалов для нужд фармакологии. Во-первых, заключая, обычное лекарство (низкомолекулярное соединение) в капсулу, в оболочку из медленно-растворяющегося или гидролизуемого полимера, удается продлить срок пребывания данного лекарственного препарата в организме, а значит, добиться того же лечебного эффекта при меньшей общей дозировке. Более того, в некоторых случаях удается предохранить лекарственный препарат от преждевременного разрушения, например, желудочным соком. Пусть в желудке растворяется и разлагается оболочка, а сам препарат без вреда для себя доберется до кишечника и начнет работать там. Во-вторых, некоторые новые лекарственные препараты - высокомолекулярные соединения - оказались способны проявлять специфическое лечебное действие, например антибактериальное, противоопухолевое и т. д. Естественно, что в обоих случаях требования к чистоте полимера и безвредности для организма продуктов разрушения этого полимера еще более жестки.

Вторая группа примеров применения синтетических полимеров в лечебной практике - протезирование, т. е. замена тех или иных мягких и твердых тканей живого организма на синтетические полимеры. Началось такое протезирование еще в прошлом веке, когда стоматолог изобрел эпоксидные смолы для пломбирования больных зубов. В наши дни стоматология чаще применяет полиакрилаты; в практике зубоврачебных кабинетов СССР акрилат самотвердеющий давно уже полностью вытеснил другие виды цементов. Те же и родственные смолы широко применяются сейчас для всех случаев челюстно-лицевой хирургии. Полиакрилаты несколько иного состава и химического строения широко применяются и для исправления дефектов зрения, прежде всего для изготовления контактных линз.

Совсем иные полимеры - полиэфиры, полиамиды и др. - идут на протезирование кожи. При ожогах и иных повреждениях кожного покрова организм, если жив остался, со временем сам вырастит замену поврежденным участкам. Но пока это время пройдет, медики защищают участок повязками или синтетическим кожным протезом. Такой протез и способ его применения разработаны во Всесоюзном научно-исследовательском институте медицинских полимеров. Из балончика с аэрозолем поврежденный участок кожи опрыскивают, буквально на глазах бесцветная жидкость застывает в прозрачную эластичную пленку.

А через положенное время, когда пришла бы пора снимать традиционную повязку, пленка исчезнет, она рассосется сама. Именно в этом особенность применения многих и многих полимеров в современной хирургии: нити и бандажи, трубочки и пленки служат лишь до тех пор, пока организм сам вырастит замену повреждениям. Как ни странно, потеря прочностных свойств синтетическими полимерами, которые служат для протезирования мягких и твердых тканей в организме, происходит иначе, чем при испытании этих же полимеров в обычных условиях. Например, волокна из полиамида, полиэфира, полиакрилонитрила и полипропилена, вшитые в организм, сохраняют свою прочность более полугода, а такие же волокна из полиэтилена теряют прочность намного раньше. Долгое время для внутреннего протезирования применяли полисилоксаны, полиэфиры, поливинилхлорид и полиакрилаты. В последние годы на смену этим полимерам все увереннее идут различные сорта полиуретанов.

И еще одно особое требование предъявляется к полимерам, используемым в протезировании. В тех случаях, когда полимерный материал должен или хотя бы может оказаться в прямом контакте с кровью, требуют, чтобы материал был атромбогенным, т. е. чтобы на его поверхности не могло образоваться сгустков крови. Кстати, те же требования предъявляют и к материалам для аппаратов "искусственные сердце - легкие", "искусственная почка" и недавно созданного в Японии "искусственная печень". И для этих аппаратов, и для протезирования в сердечно-сосудистой хирургии используют в основном поливинилхлорид, полисилоксаны, поливиниловый спирт, акриловые и другие полимеры, подвергнутые специальной обработке - гепаринизации.

По расчетам специалистов, благодаря протезированию различных органов и их участков из синтетических полимеров только в США из 20 млн. инвалидов почти половина могла бы вернуться к активному труду.

О применении полимеров в следующем разделе медицины - создании приборов и аппаратов - мы только что упомянули. К этому надо добавить, что анестезия, урология, гастроэнтерология и многие другие разделы медицины вряд ли смогут обойтись без резиновых трубочек, шлангов, зондов и т. п.

И наконец, одно из величайших достижений не только полимерной химии и технологии, но, можно сказать, всей науки и техники - синтез искусственной крови. Всех функций крови этот синтетический раствор пока выполнять не может, но главную функцию - поддержание венозного и артериального давления и перенос кислорода из легких к каждой клетке и углекислоты от каждой клетки вовне - этот полимерный раствор выполняет преисправно.

На этом, пожалуй, можно закончить рассказ о некоторых особенностях использования синтетических полимеров в здравоохранении, дополнив его несколькими колоритными фактами. (Материалы IV Всесоюзного Симпозиума "Синтетические полимеры медицинского назначения", г. Дзержинск, 1979).

Как бороться с микробами

Принято считать, что один из основных недостатков синтетических полимеров - их устойчивость к гниению и иным формам распада под действием микроорганизмов. Поэтому, мол, отслужившие свой срок изделия из полимерных материалов будут десятилетиями замусоривать нам планету. Это не совсем так. Во-первых, стойки к действию микроорганизмов далеко не все синтетические полимеры. Полиамиды, полиуретаны, полиакрилаты, например, вполне по зубам для некоторых из существующих бактерий. Во-вторых, - микробы тоже не дремлют. Они приспосабливаются к новой пище, появляются все новые и новые мутации, в том числе и способные справляться с новейшими синтетическими полимерами, а тем более с теми, что стали уже вроде бы традиционными. И, в-третьих, некоторые микроорганизмы очень удобно используют поверхность пластмассовых изделий как среду своего обитания.

Вот два примера. При переходе к замкнутой системе водоснабжения производств капроновых волокон тяжелой проблемой стало биологическое обрастание внутренних поверхностей реакторов, теплообменников, трубопроводов. Основная роль в обрастании принадлежала бактериям и синезеленым водорослям; находящимся в ассоциативной связи. Пришлось разрабатывать специально рецептуру и методику применения антисептиков: хлорной извести, медного купороса и гидразингидрата. Другой пример. В последние годы на силиконовых герметиках, широко применяемых в бытовой сантехнике, все чаще стала расти плесень. Пришлось специально вводить в рецептуру герметиков фунгициды, а главное - более тщательно следить за чистотой в ванных, душевых и т. п. помещениях: смывать со стенок следы мыла и шампуней чистой водой, чаще проветривать эти помещения и избегать в них слишком высокой температуры.

Что-то теперь изобретут грибки и бактерии? (Химия и жизнь, 1980, № 8).

Полимерные водолюбы

Кто может поглотить в десятки раз больше воды, чем весит сам? Среди природных объектов такие водолюбы известны давно. Возьмите, к примеру, черноморскую медузу и высушите ее - вес сухого остатка будет во много раз меньше, чем вес самой медузы. Такое влаголюбие (по-латыни "гидрофильность") обеспечивают особые полимеры, в макромолекулах которых много гидроксильных, карбоксильных и амино-групп. Полимеры такого рода нужны и в медицинской практике, но лишь сравнительно недавно удалось получить их синтетическим путем. Простейший пример практического применения высокогидрофильных полимеров в медицине - восстановление функций голосовых связок. Для этого используют композицию из смеси поливинилового спирта с глутаровым альдегидом. Сшитые молекулами альдегида, полимерные молекулы неспособны раствориться в воде, но за счет свойственной им гидрофильности могут впитывать до 3000% влаги. Более того, приготовленные загодя по специальной методике гидрогели из поливинилового спирта, сшитого малеиновым ангидридом, способны впитывать до 15000% воды! Такие гели применяют для имплантации. Они совместимы с тканями организма, не токсичны, не подвержены биодеградации. Несколько иным способом получают и в иных целях применяют другие гидрофильные полимеры, например отечественный препарат альгипор. Это полимерная соль альгиновой кислоты; применяют ее при перевязках, для защиты ран, ожогов и других повреждений кожи. Альгипор способен впитывать более 3000% влаги, а после заживления раны удалять повязку не приходится, она сама собой постепенно рассасывается. (Патент США, 1980, № 4. 251. 643).

Синтетические сердца

Конечно, заменить поврежденное сердце синтетическим пока еще наука и техника не могут. Но помочь усталому сердцу, дать ему немножко отдохнуть, в крайнем случае, уменьшить приходящуюся на него нагрузку - это вполне по силам современной науке и технике. Самый простой сердечный протез снаружи похож на теннисный мяч. Внутри он поделен на две части эластичной мембраной. Вживляя такой протез в общее русло кровотока, хирурги пневматическим устройством извне заставляют мембрану ритмично колебаться и тем самым помогать работе сердца. В декабре 1975 г. такое сердце из синтетического каучука подсадили бычку, и он год нормально развивался и рос, не получая никаких лекарств. Уже разработана конструкция протеза, который смог бы полностью заменить изношенное сердце, сохранив его размеры и форму. Конструкция эта проходит испытания. (Наука и жизнь, 1967, № 5).

Бактерицидные и фунгицидные ткани

Не только в сельском хозяйстве и фармакологии используют замедление выделения активного вещества с помощью полимерной упаковки. Смешивая поливинилхлорид, полиэтилен или полиакрилаты с антибиотиками, йодом, фенолом и другими веществами, а потом изготовляя из смеси волокно или пленку, получают материалы, способные длительное время оставаться стерильными. Из таких материалов делают упаковку для пищевых товаров, обойный материал, одежду и обувь, перевязочные средства и многое другое. Особенно удобными оказались такие бактерицидные волокна для хирургии. Мало того что халаты и повязки, простыни и салфетки в хирургическом кабинете становятся навсегда гарантированно стерильными. Нитки для хирургических швов можно теперь делать не только саморассасывающимися (не придется швы снимать), но и лечебными: они будут активно участвовать в заживлении зашитой раны. Созданы такие волокна в Ленинградском институте текстильной и легкой промышленности им. С. М. Кирова, (Неделя, 1980, № 2).

Как заклеить рану?

Еще в 1955 г. ленинградский хирург Г. В. Головин начал, применять для соединения переломанных костей клей из эпоксидных и полиуретановых смол. А в наши дни разработана целая гамма циакриновых клеев, которые позволяют, если не заменять, то успешно дополнять швы при операциях на коже, мышцах, сухожилиях и других мягких тканях вплоть до мозговой оболочки или глазного яблока. (Техника молодежи, 1978, № 3).

Кости по почте

Специальный способ пластмассовой упаковки, разработанный ЦИТО МЗ СССР, для замороженных костных фрагментов, значительно упрощает процесс консервации, хранения костей, позволяет создать большие запасы костнопластического материала, транспортировать трансплантаты на любое расстояние в виде обычных почтовых бандеролей. Перед применением такого трансплантата при оперативном лечении сколиозов, переломов и т. п. недугов его легко и быстро приводят в рабочее состояние по простой специальной методике. (Информационный листок, ЦИТО МЗ СССР, 1972).

Магнитная дозировка

Способ регулируемого введения инсулина в организм диабетика разработан сотрудниками Массачусетского технологического института. В полимерную матрицу вместе с инсулином заключают магнитный материал, и пациент сам с помощью магнита регулирует подачу инсулина или его выведение из организма. (Японский патент, 1980, № 53 - 39. 393).

Многозначные одежды

Смесь полиэтилена с хлорпарафином, хлорамином и окисью сурьмы используют для изготовления негорючей одежды, которая вдобавок обладает бактерицидными свойствами и защищает от иприта, льюизита и их паров. (Пластические массы, 1981, № 10).

Синтетические зубы

Пластмассовые зубы (вместо испорченных собственных) и красивы, и гигиеничны, и сравнительно просты в изготовлении, но, увы, недостаточно прочны. Орешек таким зубом не разгрызешь. А металлические - и прочны, и красивы, но, увы, очень уж сложно их делать даже из специальной зубной амальгамы - серебряно-оловяно-медно-цинкового сплава. Современные методы технологии пластмасс позволяют сочетать в одной композиции преимущества тех и других. Прочные, твердые и в то же время достаточно вязкие и красивые искусственные зубы получаются, когда в акрилатную массу добавляют порошок ниобия и титана. Воистину, "титанические" зубы! (J. Dent. Res., 1978, 57, № 2).