САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.Ю. Билибин, И.М. Зорин

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В

МЕДИЦИНЕ И БИОЛОГИИ

Учебное пособие

Издательство Золотое Сечение

Санкт-Петербург

2008

Содержание

1. Роль высокомолекулярных соединений в существовании жизни на Земле 4

2. Основные представления о химии и физико-химии высокомолекулярных соединений 5

2.1. Основные свойства высокомолекулярных соединений. 7

2.1.1. Деформационно-прочностные свойства. 7

2.1.2. Свойства растворов полимеров. 8

3. Общие сведения о биополимерах и полимерах медицинского назначения 11

4. Принципы классификации полимеров и материалов на их основе, используемых в биомедицинских технологиях. 17

4.1. Классификация полимеров биомедицинского назначения по признаку химической структуры и молекулярных характеристик 17

4.1.1. Углеводороды и элементорганические полимеры. 18

4.1.2. Полисахариды и их производные. 18

4.1.3. Полиэфиры и поликарбонаты 19

4.1.4. Полиамиды. 19

4.1.5. Полимеры других химических классов. 20

4.1.6. Требования к молекулярным характеристикам полимеров медицинского назначения. 20

4.2. Фазовые и агрегатные состояния полимеров в процессе реализации ими биомедицинских функций. 21

5. Конкретные области использования полимеров биомедицинского назначения. 22

5.1. Полимеры медико-технического назначения 22

5.2. Полимеры, предназначенные для введения в организм 23

5.2.1. Полимеры как функциональные и вспомогательные материалы для создания лекарственных форм медицинских препаратов. 24

5.2.2. Полимеры, используемые в восстановительной хирургии 29

5.2.3. Полимеры направленного биологического действия 33

5.3. Биодеградируемые полимеры для использования в тканевой инженерии. 36

5.3.1. Химическая природа полимера для изготовления скаффолда. 38

5.3.2. Типы полимерных скаффолдов, технологии их изготовления; 39

5.3.3. Взаимодействие клеток с полимерной поверхностью скаффолда. 42

5.4. Полимерные материалы для функциональных узлов медицинских аппаратов 45

6. Полимерные мембраны 46

6.1. Общие сведения о мембранной фильтрации 46

6.2. Способы изготовления и особенности структуры мембранных фильтров 48

6.3. Основные типы мембранной фильтрации 53

6.4. Газоразделительные мембраны 55

7. Полимерные сорбенты и носители 58

7.1. Классификация полимерных носителей 60

7.2. Синтез полимерных носителей 67

7.2.1. Синтез носителей с формированием их микроструктуры в процессе полимеризации 68

7.2.2. Введение функциональных групп в полимерную матрицу 70

7.2.3. Получение носителей сшивкой готовых макромолекул 73

7.3. Некоторые примеры использования полимерных носителей в практике 73

7.3.1. Синтез пептидов на полимерных носителях 74

7.3.2. Полимерные реагенты в синтезе пептидов 77

7.3.3. Полимерные реагенты в органическом синтезе 78

7.3.4. Другие примеры использования полимерных носителей 80

7.4. Полимерные материалы для хроматографии и электрофореза. 84

1. Роль высокомолекулярных соединений в существовании жизни на Земле

Высокомолекулярные соединения как особая низкоэнтропийная форма существования вещества представляют собой основу возникновения и существования жизни на Земле, каким бы ни было ее происхождение – привнесенная из Космоса или возникшая из простейших веществ непосредственно на Земле. Основой продолжающейся уже более двух миллиардов лет жизни на Земле является способность макромолекул записывать, хранить и воспроизводить информацию. Без этой способности вещества, характерной только для высокомолекулярных соединений, существование и воспроизведение жизни невозможно. Таким образом, жизнь на земле или за ее пределами могла возникнуть только как результат формирования сложных макромолекул из атомов и молекул простых веществ.

И действительно, какой бы самый простой живой организм мы ни взяли для рассмотрения, мы обязательно обнаружим в нем высокомолекулярные соединения как основной структурный и функциональный компоненты. Основное свойство живой материи – способность к самовоспроизводству – определяется именно информационной способностью макромолекул. Вирусы – полувещества-полуорганизмы – состоят из изменчивой белковой оболочки и «начинки» из нуклеиновых кислот. В простейших одноклеточных организмах содержание и природа составляющих их высокомолекулярных соединений гораздо более разнообразна и по функциям и по химическому составу этих полимеров.

Так один из самых распространенных природных полимеров полисахарид целлюлоза (ежегодное производство в природе 10¹⁵ кг) является структурной основой всех растительных организмов. Структурную функцию экзоскелета членистоногих выполняет другой полисахарид – хитин, у млекопитающих структурную функцию выполняют коллагены и другие белки. В дальнейшем изложении эти вопросы будут рассмотрены более подробно.

С усложнением организмов возрастает и количество видов полимеров, используемых Природой для «конструирования» этих организмов, и сложность и многообразие их функциональных назначений.

То обстоятельство, что по своей природе и физико-химическим свойствам (гибкость, мягкость, эластичность, способность разлагаться в физиологических средах) многие натуральные и с синтетические полимеры и материалы на их основе сходны с различными тканями человеческого организма создает естественную основу для их использования в медицинских целях. И действительно материалы из природных полимеров широко использовались во врачевании с древнейших времен (перевязочные и шовные материалы, пленочные покрытия из соков и отваров растений и др.)

Роль полимерных материалов в современных медицинских и биологических технологиях трудно переоценить, притом, что их значение постоянно возрастает. Это и конструкционные материалы для медицинских инструментов, деталей медицинских аппаратов, и вспомогательные вещества для производства лекарств — наполнители, упаковочные материалы, и, наконец, материалы сложного функционального назначения — узлы медицинских аппаратов типа искусственное легкое, искусственная почка, а также кровезаменители. Полимеры широко используются и в медицинском и биохимическом анализе.

Очевидно, что функциональные назначения полимеров в медицине и биологии предъявляют гораздо более жесткие требования к свойствам и характеристикам полимерных материалов, а также методам их аттестации. Некоторые вопросы, связанные с ролью высокомолекулярных соединений в биологии и медицине рассматриваются в настоящей главе. Однако для лучшего их понимания читателями, недостаточно знакомыми с высокомолекулярными соединениями целесообразно рассмотреть основные положения этой области знаний.