Биоинертные, биоактивные, биотолерантные, биорезистентые,
биорезорбируемые каждый из этих материалов по-своему реагирует на
контакт с телом человека. Как полимеры заменяют нам кости и сосуды,
что такое имплантатное гетто и чем медицине помогают водоросли и
ракообразные, рассказывает материаловед Федор Сенатов.С давних
времен люди сталкивались с выбором, какой материал лучше подойдет
для изготовления топора, а какой для строительства дома. Это
касалось и вопросов, связанных с медициной, например разного рода
протезов. Один из наиболее древних протезов это протез пальца из
Древнего Египта, который представлял собой деревяшку, обтянутую
кусочками кожи.Позже начали появляться металлические протезы
конечностей и зубов.Тем не менее из века в век человек сталкивался
с выбором, какой материал оптимален с точки зрения не только
прочности или соответствия организму, но с точки зрения
биосовместимости. Опытным путем человек приходил к тому, что есть
материалы, которые будут хорошо чувствовать себя в организме и к
которым сам организм будет относиться нормально.То, что мы сегодня
называем биоматериалами материалы, которые контактируют с
организмом человека или животного, можно условно разделить на три
типа. Есть разные подходы к тому, как классифицировать
биоматериалы, но я бы выделил три основных типа: биоинертные,
биоактивные и биотолерантные материалы.БиосовместимостьБиоинертные
материалы при попадании в организм никак не будут с ним
взаимодействовать, и с самими материалами тоже ничего не
произойдет. Такая полная химическая и биологическая инертность
первый крайний случай. Второй крайний случай это биоактивные
материалы, которые, наоборот, при попадании в организм начинают
проявлять какую-то активность и вступать с ним в биохимическую
связь, например участвовать в регенерации ткани.Посередине
находятся биотолерантные материалы. Например, к ним часто относят
некоторые титановые сплавы, потому что их можно поместить в
организм, и несмотря на то, что это нечто чужеродное, организм не
будет сильно протестовать. Он построит для этого кусочка материала
что-то вроде имплантатного гетто: позволит ему жить за стенкой из
соединительной ткани. Образуется фиброзная капсула, в которой
материал и существует.Таким образом, все материалы, которые
контактируют с нашим организмом, должны быть биосовместимыми. Под
биосовместимостью мы понимаем комплексное свойство, то есть набор
биохимических, биомеханических и иных параметров. Когда при
исследовании материала обнаруживают, что он хорошо взаимодействует,
например, с клетками, рано делать вывод о том, что он
биосовместимый. Про общую, комплексную биосовместимость можно
говорить только после испытаний на лабораторных животных, например
на мышах или крысах: ведь на общую биосовместимость материала
влияют много различных параметров.Но говорить о комплексной
биосовместимости нужно не всегда. Например, иногда нам необходимо в
первую очередь знать, что будет при взаимодействии с конкретными
тканями. В случае с кровью стоит говорить о гемосовместимости,
которая важна при изготовлении, например, полимерных протезов для
кровеносных сосудов либо элементов сердечного клапана, поверхности
которых контактируют с кровью.Сопротивляться или деградироватьЕсть
еще два важных термина, которые нужны нам для разговора о
биоматериалах и, в частности, полимерных медицинских материалах.
Это два противоположных термина: биорезистентность и
биорезорбируемость. Биорезистентность, как можно понять из
названия, это что-то, что сопротивляется биологическому.
Биорезистентные материалы могут сопротивляться влиянию среды
организма, то есть со временем они не будут окисляться, портиться,
их свойства не будут изменяться. Часто крупные протезы, скажем
протезы костей, делаются из биоинертных биорезистентных материалов.
Так, элементы эндопротеза сустава постоянно испытывают нагрузку в
организме, и с ними ничего не должно происходить в течение всей
жизни человека.Есть, наоборот, материалы биорезорбируемые это те,
которые могут деградировать или рассасываться в течение некоего
периода времени: нескольких месяцев, недель или лет. Чаще всего это
полимерные материалы, применяемые для создания временных протезов,
например, в челюстно-лицевой или в детской хирургии, когда еще не
завершился рост костей. Чтобы не делать несколько операций, можно
использовать биорезорбируемый материал, который постепенно
рассасывается, замещаясь костной тканью, и в течение определенного
времени исчезает из организма. На его месте у человека вырастает
собственная кость.Но существует очень много проблем, связанных с
полимерными материалами. В том числе сложно предсказать, откуда
начнется разложение материала. Он может разрушаться с краешка либо,
если протез накапливает влагу из организма, из середины; это
характерно, например, для полилактидов. Тем не менее сейчас область
полимерных медицинских материалов активно развивается, за этим
будущее.Сейчас в медицине используются разные типы материалов:
керамика, металлы, полимеры. Полимеры занимают очень важную нишу
среди медицинских биоматериалов, потому что они могут обладать
очень разными свойствами. Они могут проигрывать металлам в
прочности, а керамике в твердости, но тем не менее очень много
различных медицинских изделий выполнено из биополимеров или
синтетических полимеров как биоинертных, так и
биорезорбируемых.Биоинертный пластикИз биоинертных самым популярным
материалом является полиэтилен. Причем есть разные типы
полиэтилена. Есть так называемый полиэтилен низкого давления это
полиэтилен высокой плотности; химически чистый полиэтилен применяют
в медицине. Пористый полиэтилен используют, например, в
эстетической хирургии, когда нужно сделать какие-то небольшие
заплатки или имплантаты для изменения лица, поднять или увеличить
скулы, изменить подбородок.Полиэтилен это инертный материал, он не
будет сильно взаимодействовать с организмом, хотя и может немного
подкисляться под действием среды. Тем не менее он достаточно
инертный для использования в косметической хирургии. Скажем,
однажды человек решит вынуть имплантат, и хорошо бы, чтобы этот
имплантат не сросся с организмом, иначе придется производить
довольно серьезную операцию по его извлечению, по отделению
материала от окружающих тканей или от кости.Но бывают обратные
случаи, когда нужно, чтобы материал максимально хорошо срастался.
Тогда в него заранее вводят добавки: это могут быть и факторы
роста, и клетки самого пациента, которые подсаживают в структуру
пористого материала. Они способствуют более быстрому
сращиванию.Есть и другой тип полиэтилена, тоже относящийся к
синтезу при низком давлении. Этот полиэтилен обладает очень
длинными молекулами, которые обеспечивают ему высокую прочность,
так называемый сверхвысокомолекулярный полиэтилен, из которого
делаются корабельные канаты, каски, пластины для бронежилетов. Он
применяется и в медицине для создания элементов эндопротезов
суставов и костных протезов.По характеристикам к полиэтилену близок
полипропилен, у них очень близкие методики синтеза. В 1963 году
Нобелевская премия по химии была вручена Джулио Натта и Карлу
Циглеру, которые как раз внесли вклад в каталитический синтез таких
теперь уже многотоннажных полимеров, как полипропилен и полиэтилен.
Именно поэтому с середины XX века бурно развивается сфера
полимерных материалов, в том числе для медицинского применения. Из
полипропилена делают, например, постоянные шовные нити. Вообще,
шовные нити бывают рассасываемыми и постоянными; последние нужно
удалять. В основном они используются для поверхностных операций,
например при сшивании кожи. Также достаточно прочные постоянные
шовные нити можно делать из полиамида, который сейчас всем известен
как нейлон.Очень важным биоинертным материалом для медицины
является полиэфирэфиркетон полимер с довольно жесткими сегментами
молекул, которые обеспечивают ему такие интересные механические
свойства, как высокий модуль упругости. По своим характеристикам
полиэфирэфиркетон похож на кость, этим он и славится. Сегодня из
полиэфирэфиркетона делаются, например, спинальные имплантаты и
кейджи для фиксации позвонков. Из пористого полиэфирэфиркетона
можно изготавливать целое тело позвонка. Сейчас спинальная хирургия
развивается как раз в области использования полиэфирэфиркетона. Это
очень интересный материал.Другой популярный материал полиуретан, из
которого делаются протезы кровеносных сосудов. Полиуретан
достаточно гибкий: полиуретановые трубки используются не только в
медицине, а в медицине не только в качестве имплантатов. Так, из
него изготавливают полиуретановые катетеры. Также наравне с
полиуретаном используется силикон.Еще один инертный материал
полиметилметакрилат, из которого изготавливаются жесткие контактные
линзы либо внутриглазные линзы. Также он используется как костный
цемент. Это достаточно жесткий материал, способный
полимеризоваться. Если он полимеризуется на границе с костью, он
застывает и действует как цемент, и к нему можно присоединять уже
другие имплантаты, которые нужно зафиксировать внутри
организма.Биоразлагаемые материалы: нити и строительные лесаСегодня
в медицине используются также множество биорезорбируемых
материалов, таких как полилактид. Полилактид синтезируется из
растений, и в организме человека он может разлагаться, например, с
образованием молочной кислоты, которая и так находится у нас в
организме. Такие полимеры, как полилактиды, могут разлагаться в
организме достаточно долго от нескольких недель до нескольких лет.
Но, разлагаясь, они покидают его без какого-либо вреда для
организма.Из полилактидов уже делаются разные костные протезы, в
том числе скаффолды (от англ. scaffold строительные леса). Как и
строительные леса вокруг здания, которые рано или поздно уберут,
медицинские скаффолды должны обеспечить временную поддержку, а
потом исчезнуть. Сейчас в скаффолды часто вводят клетки самого
пациента, чтобы те способствовали, например, регенерации организма.
Затем биоразлагаемый, резорбируемый скаффолд, зачастую сделанный из
полилактида, уходит.Еще один похожий на полилактид материал
полигидроксибутират, который синтезируется с помощью бактерий.
Полимеры можно синтезировать либо из материалов растительного
происхождения, либо с помощью бактерий. Так вот полигидроксибутират
синтезируется с помощью бактерий (с помощью ферментативных
процессов) и тоже используется как материал для костной пластики.
Кроме того, из него пробуют делать разные биоразлагаемые пластыри:
постепенно разлагаясь, они могут выделять, например, нужные
лекарственные вещества и способствовать проникновению препарата в
организм.Другой разлагаемый материал полигликолид. Кстати, из
полигликолида делают биоразлагаемые шовные нити, которые используют
внутри организма, например, для фиксации органов. Вместо того чтобы
делать дополнительную операцию по удалению нитей, части органов
сшивают нитью, которая может разложиться сама в течение какого-то
времени, не причинив вреда организму.Природные материалыВсе эти
материалы человек сам синтезирует. Но есть и материалы природного
происхождения, которые мы используем: хитозан, коллаген,
гиалуроновая кислота. Например, хитозан, получаемый из хитина,
который выделяют из панцирей ракообразных, используется при
создании контейнеров для адресной доставки лекарств. Также из него
можно делать скаффолды и рассасывающиеся пластыри.Из другого
природного объекта водорослей можно получать альгинат, который
сегодня есть где угодно: и в аптеке, и в магазине игрушек. Из
альгината можно делать гидрогелевые материалы, которые очень похожи
на мягкие ткани, поэтому сейчас его используют для 3D-биопринтинга
искусственных органов. Например, сшитый альгинат натрия это очень
мягкий материал, по своим свойствам чем-то похожий, скажем, на
мочку уха.Очень интересен еще один природный полимер коллаген.
Существует много разных типов коллагена, он присутствует у нас по
всему организму. Коллаген можно использовать для временных
биоразлагаемых протезов или оболочек лекарственных препаратов,
которые нужно доставить в определенное место в организме, чтобы
именно там произошел выброс лекарственного препарата; сделать это
нужно за определенный промежуток времени, пока разлагается
биорезорбируемый полимер на основе коллагена.Стоит также упомянуть
гиалуроновую кислоту: она содержится во многих частях нашего
организма и характеризуется тем, что может связывать большое
количество молекул воды. Сейчас ее используют для проведения
косметологических операций (ее можно колоть, например, в морщины),
офтальмологических операций, операций на суставах. Гиалуроновую
кислоту в жидком виде вкалывают в суставы, потому что она может
входить в состав искусственной синовиальной жидкости.
