Хімія

Полімери в медицині

Хімія полімерів сьогодні є однією з найперспективніших галузей науки і з часом відкривається дедалі більше шляхів для впровадження її розробок. Однією з найважливіших за своїм значенням для життя людини галуззю використання полімерів є медицина.

Використання високомолекулярних сполук у медицині — результат тісного співробітництва трьох наук — хімії, медицини й біології. Іноді здається, що досягнення вчених у цій галузі — це найсміливіші наші мрії, що якимось дивом знайшли втілення в реальності. Так, сьогодні вже нікого не дивують синтетичні еквіваленти тканин людини (костей, зубів, суглобів, стінок кровоносних судин і т. д.). У клінічній практиці з великим успіхом застосовуються штучні клапани й шлуночки серця, співполімерні замінники плазми крові людини.

З того часу як уперше були синтезовані полімерні напівпроникні мембрани, на озброєнні в медиків з’явилися апарати «штучна легеня», «штучна нирка», «штучне серце». Завдяки цьому з’явилася можливість під час операцій на цих органах заміняти їх штучними. Широко використовуються полімерні іонообмінні смоли, дія яких спрямована на видалення з організмів радіоактивних і токсичних металів; досліджується можливість застосування іоно-обмінників для регуляції електролітної й кислотно-лужної рівноваги біологічних середовищ при серцевій, нирковій і печінковій недостатності.

Важливу роль відіграють синтетичні матеріали в зберіганні й консервуванні крові, шкіри й інших органів, виготовленні хірургічних інструментів і матеріалів. Важливе значення має також використання з цією метою синтетичних полімерів.

МЕТОДИ СИНТЕЗУ ПОЛІМЕРІВ

Синтетичні полімери, як і природні, є високомолекулярними сполуками, тобто молекула полімеру складається з безлічі молекул мономера — найменших повторюваних фрагментів макромолекули полімеру.

Серед полімерів розрізняють:

— лінійні — полімери, структурні фрагменти яких з’єднані між собою в лінійні ланцюги;

— розгалужені — полімери, у структурі яких лінійні ланцюги нерегулярно з’єднані між собою, причому бічні

ланцюги не відрізняються від головних за будовою. Полімери, у яких бічні й головні ланцюги різняться будовою, називаються щепленими співполімерами;

— зшиті — полімери, у яких кожний ланцюг має хоча б два місця з’єднання з іншими ланцюгами.

За властивостями полімери класифікуються на:

— еластомери — мають високу еластичність, здатні розтягуватися більш ніж в 10 разів і відновлювати свою форму (за умови постійної температури);

— термопласти — мають пластичність при нагріванні, також здатні деформуватися при механічному впливі, однак після припинення дії деформуючого фактора або при охолодженні вже не здатні самі повернути первісну форму;

— реактопласти — характеризуються термореактивністю — здатністю незворотно змінювати свою форму при термічному або механічному впливі, причому після припинення впливу вони втрачають здатність знову деформуватися;

— волокна — полімери, макромолекули яких розташовані в одному напрямку. Волокна мають невисоку розтяжність, однак їхня міцність на розрив досить велика.

Одержати полімери можна, використовуючи два основні типи реакцій:

— ланцюгові;

— ступінчасті.

Ланцюгові реакції протікають шляхом приєднання молекул мономера до ланцюга. До цього типу реакцій належать реакції полімеризації. Характерною рисою цих реакцій є те, що ланцюг полімеру після приєднання молекули мономера продовжує рости.

Ступінчасті реакції протікають у вигляді приєднання молекули мономера до уже утвореного ланцюга полімеру. Після кожного такого приєднання утворюється стійкий полімер. До реакцій цього типу належать реакції поліприєднання й поліконденсації.

Зародження ланцюга відбувається в результаті приєднання до мономера активної частки (радикала, катіона або аніона) — мономер активізується. Утворений активний центр на ньому падалі залишатиметься в складі зростаючого ланцюга, поки ланцюг не обірветься або не відбудеться передача ланцюга.

Залежно від того, як відбувається зародження ланцюга, полімеризацію поділяють на радикальну, катіонну й аніонну.

Ріст ланцюга — процес приєднання молекул мономера до ланцюга. Обрив ланцюга може відбутися в результаті приєднання іншого радикала або іона чи при передачі надлишку енергії активного центру іншій частинці (передача ланцюга).

Реакція поліконденсації — це спосіб одержання високомолекулярної сполуки, який полягає у взаємодії між функціональними групами й виділенні низькомолекулярного продукту (води, спирту, водню й т. д.).

Утворення побічного продукту є величезним недоліком реакцій поліконденсації. Крім того, далеко не всі мономери в ході реакції перетворюються в полімери, а видалити їх із продукту досить складно. Вихідні низькомолекулярні сполуки часто є токсичними, тому перед використанням з медичною (як і іншими) метою такі полімери потребують додаткового очищення. Крім того, медичні марки полімерів вимагають спеціальних умов для їхнього утворення.

Щодо цього реакції полімеризації набагато зручніші для одержання медичних полімерів: побічні продукти не утворюються, а молекул мономера, які не прореагували, не залишається. У крайньому випадку, їх можна досить легко вивести зі сфери реакції. Слід зазначити, що пошук шляхів ще глибшого очищення медичних полімерів триває. Це викликано тим, що навіть мізерні дози непрореагованого мономера, знаходячись в обсязі виробу з полімерного матеріалу, згодом мігрують на поверхню й отруюють організм.

РЕАКЦІЇ ПОЛІМЕРИЗАЦІЇ

Реакція полімеризації — це процес утворення високомолекулярної сполуки з низькомолекулярної шляхом послідовного приєднання молекул низькомолекулярної речовини до активного центру, що знаходиться на кінці зростаючого ланцюга. Полімеризація може протікати тільки в тому випадку, якщо мономер містить угруповання, здатне розкриватися з утворенням вільних зв’язків (С=С, С=С, С=О, C=N та ін.). Ініціаторами (тобто факторами, що сприяють утворенню активного центру) в реакціях полімеризації виступають нагрівання, надвисокий тиск, опромінення, каталізатори, вільні радикали.

Реакція полімеризації має ланцюговий механізм. Розрізняють такі стадії реакції: зародження ланцюга, ріст ланцюга, передача ланцюга й обрив ланцюга.

ВИКОРИСТАННЯ ПОЛІМЕРІВ У МЕДИЦИНІ

Полісилоксани, або силіконові каучуки, — високомолекулярні сполуки, основний ланцюг яких побудований з атомів Силіцію й Оксигену, а до складу бічних груп входять атоми Карбону. Одержують полісилоксани реакцією поліконденсації; як мономери використовуються кремнійорганічні багатоатомні спирти. Використання полісилоксанів у медицині обумовлене їхньою фізіологічною інертністю.

Одним з полісилоксанів, що набули широкого застосування, є трифторпропіленметилполісилоксан. Його основною властивістю є добра сумісність із кров’ю, тобто утворення тромбів при контакті з кров’ю цього полімеру відбувається значно менш активно, ніж у випадку використання інших полімерів. Також на основі цього полісилоксану виготовляють силіконові гуми — матеріали, незамінні при виготовленні виробів, що контактують із кров’ю (елементи апаратів штучного кровообігу й штучної нирки, мембрани клапанів серця й самих клапанів).

Досить перспективними речовинами в плані використання в медицині є силіконові олії — рідкі кремнійорганічні полімери. Вони мають здатність розчиняти й утримувати кисень, що дозволяє використовувати їх як замінники плазми.

Поліефірні смоли

Поліефірні смоли — ненасичені розчини складних поліефірів. Поліефірами називаються синтетичні полімери, у складі молекул яких міститься проста ефірна (R–О–R1) дe R і R1 — вуглеводневі радикали) або складносфірна (R–O–CO–R1,) група. Як правило, поліефірні смоли виготовляють, використовуючи як розчинну речовину поліефіри, отримані поліконденсацією гліколів з малеїновою або фумаровою кислотою. Розчинником є мономер (наприклад, стирол).

Широкого застосування в медицині набуває поліетилентерефталан. Волокна цього полімеру є основою для виготовлення протезів кровоносних судин.

Узагалі матеріали для виготовлення штучних кровоносних судин повинні характеризуватися рядом якостей, серед яких найбільше значення має пористість. У кровоносних судинах організму пористість бічних стінок відіграє дуже важливу роль: завдяки їй забезпечується циркуляція рідини між кров’ю й між тканинним простором. Крім того, наявність отворів у стінках протезів дозволяє природним тканинам кровоносних судин проростати в них, забезпечуючи вживляння й функціонування протеза.

Поліефірні волокна вже більше 20 років використовуються у виготовленні таких протезів. Іноді ними заміняють дуже великі уражені ділянки судинної системи.

ПОЛІМЕРИ У ФАРМАКОЛОГІЇ

Синтетичні полімери знаходять широке застосування у фармакології завдяки тому, що ретельно розроблені методи синтезу дозволяють одержувати полімери, будова яких аналогічна до будови полімерних сполук нашого організму. Крім того, будова синтетичного полімеру може бути модифікована таким чином, щоб надати йому додаткових властивостей, яких природний аналог не має. Розглянемо кілька прикладів.

Інсулін — білковий гормон тварин і людини, що виробляється підшлунковою залозою. Дія інсуліну полягає в тому, що він різко збільшує проникність стінок м’язових і жирових клітин для глюкози. Дія інсуліну вибіркова — на проникність стінок нейронів (нервових клітин) він не впливає. Саме інсулін відповідає за засвоєння організмом глюкози, синтез глікогену (полісахариду, утвореного залишками глюкози; відкладається у вигляді гранул у цитоплазмі клітин печінки й м’язів, під дією ферментів розщеплюється до глюкози), нагромадження глікогену в м’язових волокнах.

Недостатнє утворення інсуліну призводить до того, що в організмі розвивається найтяжке захворювання ендокринної системи — цукровий діабет. Ця хвороба характеризується зниженням здатності печінки й м’язів засвоювати глюкозу й інші вуглеводи. Це означає, що в крові є надлишок глюкози, який згодом виводиться з сечею, але в клітини вона не надходить (гострий клітинний голод). У результаті клітини гинуть, а глюкоза, не засвоюючись, виводиться з організму.

Наслідки цукрового діабету — не ураження периферійних нервових вузлів, у результаті чого порушується робота кінцівок; відбувається порушення зору, виникає атеросклероз.

Лікування цукрового діабету в основному проводиться шляхом ін’єкцій інсуліну й інсулінових препаратів. Сьогодні успішно здійснюється синтез штучного інсуліну. На відміну від інсуліну, одержуваного з біологічної сировини, штучний інсулін не містить домішок, через що його ефективність набагато вища від ефективності біологічного інсуліну.

Інтерферон — низькомолекулярний білок, дія якого в організмі спрямована на придушення розмноження в клітинах різних вірусів, захист клітини від бактерій і внутрішньоклітинних паразитів. Штучно синтезовані інтерферогени при введенні в організм утворюють інтерферон.

Як показує практика, хімія полімерів зайняла міцні позиції в медицині й дозволяє їй вирішувати завдання, які раніше здавалися нерозв’язними.

Теґи

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *

Back to top button