CONSIDERAŢII PRIVIND UTILIZAREA UNOR POLIMERI SINTETICI CA BIOMATERIALE

Conf. dr. ing. BOLCU CONSTANTIN

Universitatea de Vest Timişoara, Facultatea de Chimie, Biologie, Geografie,Departamentul Chimie

1. Introducere

Datorită proprietăţilor fizico-mecanice deosebite, polimerii sintetici ocupă un loc foarte important în toate domeniile de activitate umane, participând din ce în ce mai mult la aplicaţiile cotidiene. Dată fiind diversitatea necesităţilor din domeniul medical şi farmaceutic, biomaterialele polimerice sintetice (simple sau compozite) constituie un subiect foarte actual şi cu o dinamică deosebită. Actualmente, se caută ameliorarea calităţii implanturilor şi a dispozitivelor de analiză minim-invazivă a organismului, creşterea biocompatibilităţii şi a rezistenţei la coroziune a polimerilor sintetici care urmează să intre în contact direct cu ţesuturile biologice, punerea la punct a unor sisteme –vectoare performante care să transporte la organul ţintă diferite principii biologic-active şi, nu în ultimul rând, perfecţionarea sistemelor de eliberare controlată a medicamentelor în organism.

Asimilarea polimerilor sintetici în medicină şi terapeutică trebuie să răspundă complexităţii problemelor de utilizare ce rezultă din contactul temporar sau de lungă durată a polimerilor sintetici cu ţesuturile şi substanţele biologice. În acest context, sunt definite, ca biomateriale polimerice acei polimeri sintetici sau compozite polimerice atestate ca biocompatibile în contact cu biostructurile. Polimerii sintetici candidaţi pentru utilizări biomedicale trebuie să se conformeze unei varietăţi de cerinţe care apar fie din structura lor chimică şi fizică (criterii chimice, fizice şi mecanice), fie din mediul fiziologic unde ei vor fi utilizaţi (criteriul biologic). Pe lângă necesitatea sterilizării biomaterialelor de uz clinic, cerinţele privitoare la acestea se împart în două categorii:

  • cele care includ proprietăţile fizice (de exemplu, rezistenţa mecanică) şi care se aplică la cantitatea totală de material;
  • cele care implică interacţiunile dintre biomateriale şi sistemul biologic şi care se aplică interfeţei ori proprietătilor suprafeţei.

Abilitatea de a înlocui organele bolnave şi vasele de sânge, total sau parţial, a determinat creşterea duratei de viaţă a multor persoane, lucru realizat cu ajutorul biomaterialelor. Biomaterialele sunt substanţe care pot fi folosite pentru tratarea, regenerarea sau înlocuirea oricărui ţesut, organ sau funcţie a organismului. Biomaterialele trebuie să aibă un grad mare de puritate şi, de aceea, se renunţă adesea la utilizarea claselor de aditivi care nu sunt indispensabile prelucrării sau funcţionării produselor din materialele respective. Gama aditivilor include stabilizatori, plastifianţi şi materiale de umplutură care sunt adăugaţi în polimerii comerciali purificaţi pentru a evidenţia proprietăţile fizico-mecanice specifice. Pentru o perioadă mai scurtă sau mai lungă de timp, migrarea acestor componente pentru ţesuturile adiacente şi fluidele biologice este nedorită, aditivii trebuind eliminaţi înainte de utilizare. În plus, o serie de proprietăţi favorabile ale polimerilor pot fi obţinute nu prin utilizarea de aditivi, ci prin varierea structurii chimice, de exemplu prin folosirea de copolimeri adecvaţi în locul homopolimerilor.

O varietate mare de biomateriale sunt utilizate actualmente şi în afara domeniilor tradiţionale şi anume: în chirurgia plastică şi reparatorie, stomatologie şi refacerea muşchilor şi oaselor. De exemplu, organele artificiale pot juca un rol important în medicina preventivă, în special pentru ultimul stadiu de distrugere al organismului. De aceea, doar câţiva polimeri pot fi utilizaţi în mod regulat în implanturile chirurgicale. Deşi se află la dispoziţie un număr mare de materiale, biocompatibilitatea şi proprietăţile mecanice au restrâns sever numărul actual de polimeri ce pot fi folosiţi în domeniul medical.

Polimerii care pot fi utilizaţi ca biomateriale trebuie să îndeplinească câteva cerinţe fizico-mecanice: geometria dizpozitivului implantului sau componentului, gradul de cristalinitate, proprietăţile elastice, comportarea la tensiuni şi forfecare, propagarea ruperii, rezistenţa la oboseală şi comportarea vâsco-elastică în timp şi în funcţie de temperatură.

Pe baza acestor principii, acest articol are drept scop prezentarea principalelor clase de biomateriale polimetrice multifazice cu aplicaţii medicale corespunzătoare, precum şi cei mai importanţi polimeri sintetici care intră în componenţa acestor biomateriale polimetrice compozite.

2. Utilizări biomedicale ale unor polimeri sintetici

Scopul producătorilor de biomateriale polimerice constă în asigurarea de performanţă, stabilitate şi durabilitate implanturilor realizate, deziderat ce poate fi atins, în primul rând, prin selectarea cu atenţie a materialului polimeric cu proprietăţi optime. Caracteristica inovatoare şi concurenţială a pieţei de biomateriale polimerice a generat o dinamică specifică de producere a acestora, deoarece fiecare polimer ales trebuie să prezinte avantaje şi caracteristici specifice pentru a fi cât mai util unei aplicaţii medicale specifice.

Înainte de a trata mai pe larg principalele clase de biomateriale polimerice vom trece în revistă câteva dintre principalele lor utilizări în diferite domenii medicale:

  • în domeniul ortopedic: proteze interne permanente (de reconstrucţie), proteze resorbabile (din polimeri bioresorbabili), diferite elemente de sutură şi cimenturi pentru fixarea protezelor, înlocuirea articulaţiilor cartilaginoase, drenuri chirurgicale şi instrumentar chirurgical divers;
  • în domeniul medicinei recuperatorii: membrane extracorporale, membrane bioactive (de eliberare controlată), celule artificiale şi proteze externe;
  • în domeniul oftalmologiei: lentile de contact, lentile intraoculare şi cornee artificială;
  • în domeniul cardiologiei: valvule mitrale pentru inimă şi grefe vasculare artificiale;
  • în domeniul dentar: implanturi dentare, material de amprentare, cimenturi dentare şi instrumentar dentar;
  • în domeniul chirurgiei estetice: implanturi şi elemente de sutură bioresorbabile;
  • alte aplicaţii medicale: linii de perfuzie, dispozitive de catetetizare, dispozitive pentru căile respiratorii, căile digestive şi căile urinare;
  • în domeniul farmaceutic: excipienţi pentru diferite forme de administrare medicamentoasă, sisteme de eliberare retard de medicamente, sisteme vectoare de eliberare controlată a substanţelor active, bază pentru emulsii, paste, recipiente diverse de condiţionare a medicamentelor;
  • în domeniul cosmetic: bază pentru emulsii şi creme cosmetice şi sisteme complexe de peeling chimic sau mecanic.

3. Conceptul de biomateriale polimerice compozite multifazice

Ideea obţinerii de materiale compozite este foarte veche şi pleacă de la posibilitatea preparării de noi material, cu performanţe superioare oricăruia dintre elementele lor componente. Cele mai reprezentative exemple din natură sunt: lemnul – alcătuit din fibre de celuloză într-o matrice din linguină; osul – format din fibre proteice, încorporate într-o matrice mineral; plămânul – care prezintă o structură de spumă.

Cea mai mare parte a materialelor polimerice compozite sunt alcătuite dintr-o fază majoritară, continuă, numită matrice şi o fază minoritară. Principiul de bază al unui material compozit este următorul: matricea, care este majoritară, preia solicitările externe pe suprafaţa sa şi le transformă apoi la nivelul fazei dispersate (care joacă adesea rol de material de armare, conferind o mai mare rezistenţă materialelor compozite). Teoretic, există o infinitate de combinaţii posibile între diferite materiale, care pot fi folosite atât ca faze majoritare cât şi ca faze minoritare, pentru a se putea obţine un material compozit cu proprietăţile dorite. Şi din punct de vedere practic s-au putut obţine materiale compozite foarte performante, cu utilizare în domenii din cele mai diverse (de la industria aerospaţială la industria materialelor cu utilizare în medicină).

Pe lângă ameliorarea rezistenţei mecanice a materialelor compozite şi prelungirea duratei de utilizare a lor, cel mai adesea s-a urmărit atingerea a altor două elemente importante: greutatea specifică şi costul lor. Astfel, actualmente se urmăreşte optimizarea rapoartelor rezistenţă / greutate specifică şi rigiditate / greutate specifică.

Una din clasele de umpluturi sub formă de particule dispersate sunt pulberile metalice (bronz, fier, argint, zinc, etc.), care au ca principal rol creşterea conductibilităţii termice şi conductivităţii electrice a materialelor polimerice recunoscute tradiţional ca fiind cu proprietăţi de izolatori. De exemplu, prin introducerea de astfel de pulberi metalice în masa poliolefinelor se pot obţine materiale cu o bună prelucrabilitate, capabilă să asigure o ecranare eficientă împotriva radiaţiilor electromagnetice şi evitarea interferenţelor. În general, aceste proprietăţi sunt esenţiale pentru protejarea dispozitivelor şi a aparaturii medicale, de funcţionarea căreia depinde siguranţa şi calitatea vieţii pacientului.

Stabilitatea şi biocompatibilitatea hidrogenului au fost atestate prin studii de extracţie, toxicitate sistemică acută, compatibilitate tisulară şi sanguină, biocompatibilitatea hidrogelurilor extinzând sfera aplicaţiilor biomedicale, fără riscuri pentru organismul receptor. Multe dintre cercetările efectuate pe hidrogeluri au fost îndreptate spre aplicaţii de tipul dispozitivelor de eliberare controlată a medicamentelor. În timp ce ordinul zero de eliberare a medicamentelor este important pentru marea majoritate a lor, sunt multe medicamente care necesită a fi eliberate în mod vibraţional. Cel mai edificator exemplu este eliberarea insulinei. În plus, hidrogelurile care răspund la pH şi hidrogelurile sensibile pe bază de glucoză, dizolvabile, au fost utilizate la producerea insulinei sub formă de capsule.

Eliberarea vibratorie a medicamentelor poate fi realizată cu hidrogelurile sensibile la temperatură, iar prin alterarea temperaturii în jurul hidrogelurilor termosensibile se poate realiza eliberarea medicamentelor din gel.

Aplicaţiile biomedicale ale hidrogelurilor sunt diverse, pornind de la dispozitive de diagnosticare până la muşchi artificiali. Utilizarea hidrogelurilor ca lentile de contact şi lentile intraoculare au într-o oarecare măsură o istorie lungă comparativ cu alte utilizări. Lentilele de contact moi, fabricate din hidrogeluri, posedă proprietăţile dorite (cum ar fi permeabilitatea ridicată pentru oxigen), deşi acestea au probleme cu degradarea lor şi la depozitarea proteinelor. Lentilele intraoculare moi prezintă avantaje faţă de cele rigide, abilitatea de a se îndoi permiţând chirurgului să utilizeze o incizie chirurgicală mai mică. Lentilele de contact şi cele intraoculare pe bază de hidrogeluri pot fi sterilizate în autoclavă, care este mult mai convenabilă decât sterilizarea cu oxid de etilenă necesară lentilelor rigide.

Hidrogelurile sunt utilizate ca bandaje pentru răni, ele fiind flexibile, durabile, antigenice şi permeabile pentru vaporii de apă şi metaboliţi, asigurând o acoperire bună a rănii, în vederea prevenirii infecţiilor cu bacterii. De asemenea, hidrogelurile au fost folosite ca învelişuri ale suprafeţelor cateterelor urinare, îmbunătăţind biocompatibilitatea acestora. Stratul de hidrogel format pe suprafaţa internă a arterei rănite are ca efect scăderea trombozei şi îngroşarea profundă la modelele animale. Îngroşarea profundă poate fi prevenită prin inhibarea contactului dintre sânge şi ţesutul subendotelial cu un strat de hidrogen.

Pentru a stabiliza implanturile osoase a fost utilizată până acum presiunea de umflare a hidrogelului de tip poli (metacrilat de hidroxietil). De asemenea, prin îmbunătăţirea designului implantului, hidrogelurile pot fi folosite ca interfaţă stabilizatoare. Polimerii de tip acrilamidă (datorită faptului că au solubilitate selectivă în sucurile gastrointestinal) se folosesc ca agenţi de acoperire gastrosolubili care se adaugă comprimatelor pentru protejarea principiilor active şi mascarea gustului şi mirosului neplăcut. Totodată, soluţiile apoase de poli [N-(2-hidroxipropil)-metacril-amidă] şi poli (N-etil-acrilamidă) au fost testate ca substituenţi coloidali de plasmă sanguină, cu efecte bune hemodinamice şi absenţa celor pirogenice, antigenice şi hemodinamice şi de pseudoaglutinare a sângelui.

Poli [N-(2-hidroxipropil)-metacril-amidă] reticulată este folosită în transportul şi eliberarea controlată a medicamentelor. În anumite cazuri, o creştere a concentraţiei medicamentului transportat de-a lungul mucoasei, poate fi realizată dacă medicamentul este eliberat în cea mai eliberată regiune.

Gelurile de poliacrilamidă şi polimetacrilamidă au fost prezentate ca protectori mecanici pentru iris, retină şi endoteliu corneal, menţinând în acelaşi timp adâncimea camerei interioare a ochiului în timpul operaţiilor chirurgicale.

Poli (N-izopropil-acrilamida) se foloseşte în transportul medicamentelor şi pentru imobilizarea enzimelor şi celulelor în bioreactoare. De asemenea, au fost cercetate posibilităţile de utilizare a hidrogelurilor în sterilizarea şi dilatarea cervicală, dezvoltându-se hidrogeluri biocompatibile şi sisteme de sterilizare tubulară cu mai multe structure rigide. Firele de hidrogel au fost dezvoltate în domeniul transportului hormonilor (cum ar fi, de exemplu, omologi ai prostaglandei), precum şi la dilatarea mecanică a cervixului. Dilatarea canalelor cervicale este necesară pentru avortul indus prin chiuretajul prin absorbţie, în primul trimestru al sarcinii.

Unul dintre avantajele aplicaţiilor hidrogelurilor este obţinerea de muşchi artificiali. Astfel, hidrogelurile, “inteligente”, care pot transforma stimulii electrochimici în lucru mecanic (de exemplu, contracţia) pot funcţiona şi ca ţesut muscular uman.

4. Polimeri sintetici utilizaţi ca biomateriale

Polietilena

Polietilena este des utilizată în domeniul medical datorită caracteristicilor fizice, chimice şi mecanice pe care le posedă. Structura acesteia este următoarea:

─(─CH2─CH2─)─n

În funcţie de condiţiile de polimerizare se pot obţine diferite sorturi de polietilenă:

  • polietilenă de joasă densitate, radicalică (LDPE);
  • polietilenă de joasă densitate, liniară (LLDPE);
  • polietilenă de înaltă densitate (HDPE);
  • polietilenă cu masă molecular ridicată (UHMWPE).

În domeniul chirurgiei cardiovasculare, polietilena rigidă se utilizează pentru fabricarea valvelor cardiace, a carcasei pompelor, a elementelor de conectare cu ţesuturile înconjurătoare, în pofida unor dezavantaje (ca duritate mică, dificultate de prelucrare, fragilitate şi prezenta incluziunilor). Polietilena se foloseşte şi pentru realizarea de cranioplastii. Cranioplastia este indicată în repararea defectelor craniene rezultate în urma tumorilor, deficitului osos, traumatismelor, anomaliilor congenitale sau infecţiilor şi implică o corelare a noţiunilor de neurochirurgie şi a tehnicilor de protezare. S-a constatat că HDPE poroasă Flexblock este un material adecvat pentru cranioplastii datorită accesibilităţii, posibilităţii de sterilizare fără modificarea formei şi rezistenţei, a conductibilităţii termice apropiate de cea a ţesutului înconjurător, ataşării la craniu cu materiale de sutură obişnuite, absenţei acumulării de secreţii sub scalp, absenţei reacţiei de respingere, precum şi nedegradării şi nedeformării în timp.

Un alt domeniu de utilizare al polietilenei este ortopedia. Astfel, UHMWPE este utilizată ca material de elecţie pentru obţinerea cupei acetabulare din cadrul implantului total de şold. Recent, în chirurgia urechii s-au introdus şi a avut succes polietilena poroasă sub denumirea de Plastipore.

În cabinetele stomatologice, ca materiale de protecţie a plăgilor parodontale se folosesc o serie de materiale, sub formă de pansamente adezive. O faţă a acestor pansamente adezive este acoperită de un film de polietilenă, iar cealaltă de o folie de hârtie protectoare care poate fi îndepărtată în timpul utilizării. Pansamentele adezive sunt utilizate pentru protecţia plăgilor rezultate prin aplicarea unei grefe epitelio-conjunctive sau a unor grefe gingivale libere. De asemenea, copolimeri ai etenei şi ai acetatului de vinil se utilizează pentru confecţionarea gutierelor totale, care se folosesc, la rândul lor, pentru profilaxia traumatismelor dento-maxilare. Printre materialele de sutură utilizate în stomatologie se folosesc firele sintetice neresorbabile (printre care şi fire de polietilenă), deoarece sunt considerate printre cele mai rezistente fire sintetice de sutură. Dintre principalele condiţii impuse firelor de sutură amintim: să fie suple, rezistente la tracţiune, să nu întreţină o reacţie inflamatorie prin capilaritate, să fie elastice şi rezistente la elongaţie, iar dintre proprietăţile biologice amintim: să fie tolerate şi să nu provoace stări alergice sau reacţii inflamatorii, sterilizarea lor să nu le diminueze rezistenţa, omogenitatea şi supleţea. Firele de polietilenă sunt inerte, nu suferă procese de degradare hidrolitică şi se folosesc mai mult pentru suturi tegumentare.

Pe lângă utilizările amintite mai sus, polietilena se mai foloseşte şi pentru confecţionarea de pungi şi saci pentru condiţionarea sterilă a implanturilor sau fluidelor biologice, pistoane pentru seringi, protectori pentru ace de seringă şi tuburi pentru catetere. Reperele amintite din polietilenă se pot obţine prin injecţie, extrudere, termoformare şi formare rotaţională.

Polipropilena

Polipropilena este un material termoplastic interesant din punct de vedere al aplicaţiilor biomedicale, datorită combinării unor proprietăţi (bună rezistenţă chimică şi termică, bune proprietăţi mecanice şi electrice) cu o prelucrare uşoară. Structura acesteia este următoarea:

(─CH2─CH2─)─n

CH3

Spre deosebire de polietilenă, polipropilena poate fi sterilizată la cald, prin autoclavare şi de aceea este indicată pentru fabricarea de filme şi articole sterilizabile cu apă fierbinte (ca de exemplu recipientele rigide). Este polimerul cel mai utilizat pentru obţinerea de seringi de unică folosinţă.

În domeniul chirurgiei cardiovasculare, compatibilitatea cu sângele a materialelor polimere utilizate depinde, în mare măsură, de formarea unui strat de fibrină şi vascularizarea ulterioară implantării, adică de constituirea unui pseudoendoteliu, proces lent, uneori imposibil în cazul dispozitivelor de protezare care suferă flexiuni şi alungiri repetate. O soluţie ar putea fi utilizarea microfibrelor din polipropilenă grafitată, cu structură scheletată, capabile să formeze un pseudoendoteliu rezistent la acţiunea forţelor de forfecare din partea sângelui şi a diferenţelor de presiune dintre contracţia cardiacă şi relaxare. Polipropilena rigidă este indicată pentru realizarea dispozitivelor de pompare a sângelui. Astfel, ea se utilizează pentru fabricarea valvelor cardiace, a carcasei pompelor şi a elementelor de conectare cu ţesuturile înconjurătoare.

Ideea utilizării suturilor drept sistem de transport al medicamentelor este un subiect de interes pentru chirurgia modernă şi se bazează pe observaţia că eliberarea lentă a agenţilor antimicrobieni în apropierea plăgii are ca rezultat o îmbunătăţire remarcabilă a procesului de vindecare, cu diminuarea pericolului de infecţie sau inflamaţii. În acest scop se utilizează polipropilena din care se confecţionează firele de sutură Hensch obţinând rezultate foarte bune în cazul unui nou material compozit format dintr-un amestec format din LLDPE şi polipropilenă. Materialul astfel obţinut este caracterizat de tenacitate înaltă şi flexibilitate mare, siguranţă bună a nodului şi mânuire uşoară, toate acestea combinându-se cu proprietăţile tipice ale polipropilenei: inerţie, reacţii scăzute ale ţesutului şi putere mare de retenţie. Firele chirurgicale sunt obţinute prin extruderea polimerului în instalaţii de filare orientate şi călite, rezistenţa la infecţii a suturilor din polipropilenă fiind corelată cu inerţia biologică a polimerului, ceea ce menţine nemodificată sutura mai mult de 2 ani.

Firele de sutură din polipropilenă (“Prolene” produsă de Ethicon şi “Gurgilene” produsă de Davis şi Gek) determină o reactivitate foarte mică a ţesutului. Deşi firele pentru sutura realizată din polipropilenă au elasticitate puţin mai mare ca a monofilamentelor realizate din poliamide alifatice, ele au rezistenţă mare la tracţiune şi prezintă cea mai bună rezistenţă la infecţii. Suprafaţa foarte netedă a firelor de sutură realizate din polipropilenă face posibilă legarea lor în nod, dar, în acelaşi timp, această caracteristică influenţează siguranţa nodului, acesta având tendinţa de a se desface.

Un loc tot mai important în chirurgia reparatorie a peretelui abdominal îl ocupă protezele sintetice, polipropilena fiind introdusă pentru aplicaţii chirurgicale de acest tip în anul 1959, sub denumirea de “Marlex”. Aceste ţesături sunt mai suple decât nylonul folosit la început şi sunt extensibile într-un sens dictat de conformaţia ţesăturii, grosimea fiind, în general, sub 1 mm grosime.

În domeniul stomatologic, fibrele sintetice neresorbabile de polipropilenă au fost folosite ca material de sutură încă din 1960. Datorită faptului că sunt inerte, aceste materiale nu se degradează hidrolitic şi se folosesc mai mult pentru suturi tegumentare, condiţiile impuse firelor de sutură fiind aceleaşi ca cele amintite la polietilenă.

Alte aplicaţii medicale ale polipropilenei sunt proteze externe termoformate, filme pentru condiţionarea sterilă a instrumentarului medical, duze rigide, corpul principal al seringilor şi vase sterilizabile. Pentru prelucrarea polipropilenei se utilizează următoarele tehnologii: prin injecţie, prin extrudere, prin turnare şi sudare, prin suflare şi termoformare.

Policlorura de vinil

Policlorura de vinil (PVC) este un polimer cu excelentă rezistenţă mecanică şi chimică, utilizat mai ales pentru confecţionarea de ţevi şi conducte. Structura chimică a acesteia este următoarea:

(─CH2─CH─)─n

Cl

Ca şi alte materiale polimerice, PVC este folosită în chirurgia protetică, maxilofacială externă şi la reconstrucţii complexe în urma unor fracturi multiple cu pierderi mari de ţesut moale. PVC plastifiată este utilizată pentru construcţia diverselor dispozitive care vin în contact direct cu sângele: tuburi pentru circulaţia extracorporală a sângelui, catetere, pungi şi tuburi pentru transfuzii. PVC este polimerul cel mai des folosit pentru confecţionarea majorităţii dispozitivelor de unică folosinţă. O mare problemă o poate, însă, constitui alegerea plastifiantului, care poate exuda din material, existând riscul de a fi preluat de lichide şi introdus în organism. Un alt dezavantaj al PVC constă în faptul că prezintă o complianţă mecanică diferită de cea a vaselor de sânge normale, iar la contactul dintre polimer şi sânge pot apărea turbulenţe de curgere care vor determina activarea hemolizei şi agregarea plachetară, toate acestea conducând la apariţia fenomenului de coagulare. PVC plastifiată se utilizează şi la confecţionarea recipientelor de medicamente.

S-a demonstrat că infuzarea intravenoasă a unor medicamente anticancerigene (5-fluorouracil) este mai avantajoasă decât injecţiile intravenoase. Tehnologia avansată a făcut posibilă eliberarea unor cantităţi calculate de medicament, într-o perioadă de timp impusă. Astfel, pungile din PVC sunt foarte folosite ca pompe de infuzie portabile, cantitatea de medicament înmagazinată în aceste rezervoare trebuind să fie stabilă şi compatibilă. Din PVC se mai confecţionează: tuburi ale pompelor peristaltice, tuburi stomacale flexibile şi semiflexibile, pungi pentru perfuzii şi componente ale instalaţiilor pentru dializă. Reperele din PVC se pot realiza prin următoarele tehnologii de prelucrare: prin injecţie, prin extrudere, prin termoformare, prin formare mecanică şi turnare.

Polistirenul şi copolimerii stirenici

Polistirenul (PS) este un material termoplastic format din macromolecule liniare neramificate. A apărut ca produs comercial în 1937 şi este un material alb, transparent şi bun izolator electric. Structura chimică a PS este următoarea:

(─CH2─CH─)─n

C6H5

Datorită proprietăţilor sale, PS şi copolimerii săi au următoarele aplicaţii: tuburi hemolitice, pistonul seringilor de unică folosinţă, filme termoformate pentru diferite condiţionări, dispozitive de dozare a picăturilor şi cutii Petri. În ceea ce priveşte hemocompabilitatea acestor polimeri, trebuie să se cunoască anumite caracteristici electrice: polarizabilitatea, sarcini electrice de pe suprafaţa reţelei şi potenţial electric, care controlează compatibilitatea polimerilor cu sângele. Boffa şi colaboratorii au studiat compatibilitatea cu sângele a PS bine purificat, în vitro. Aceştia au demonstrat că, deşi PS nu este un polimer hidrofil şi nici polar, are o bună compatibilitate cu sângele. Lovelack şi Porterfield au descries proprietăţile anticoagulante ale polistiren-sulfonaţilor rezultaţi din reacţia PS cu acidul sulfuric.

PS se foloseşte şi la încapsularea diferiţilor agenţi antiinflamatori (indometacină şi ibuprofen), prin metoda evaporării solventului. Copolimerul anhidridă maleică – stiren se utilizează ca agent de acoperire enterosolubil. De asemenea, în domeniul protezelor stomatologice, PS se utilizează pentru confecţionarea lingurilor de amprentă, prezentând un modul de elasticitate scăzut. Deformabilitatea crescută a lingurilor de PS are drept consecinţă faptul că pereţii acestora se destind în cursul exercitării presiunilor din timpul amprentării şi revin la dimensiunile iniţiale după dezinserarea amprentei, determinând astfel deformări ale amprentei. PS se foloseşte şi pentru modificarea cimenturilor de oxid de zinc, aplicându-se pentru cimentări provizorii şi de durată, obturaţii de bază şi restaurări coronare provizorii.

Copolimerii acrilonitril – butadiene – stirenic (ABS) şi acrilonitril – stiren (SAN) se folosesc în diferite scopuri biomedicale: în dializă, pentru confecţionarea clemelor şi acelor pentru perfuzii datorită rezistenţei ridicate la rupere; componente ale aparatului auditiv; dispozitive de conectare pentru seringi şi catetere. De exemplu, “Novodur ABS”, este utilizat pentru obţinerea cutiilor realizate special pentru dispozitivul de măsurare a glicemiei (glucozometru). Acest instrument este protejat foarte bine de această cutie datorită proprietăţii acestui material de a avea rezisteţă la şocuri foarte ridicate.

“Bayblendul” reprezintă un material format dintr-un amestec de ABS şi policarbonaţi şi este un material din care se confecţionează pompe utilizate pentru infuzia volumetrică precisă şi de termen lung. Carcasa este rezistentă la şocuri şi la flacără. Acelaşi material se foloseşte pentru realizarea carcaselor rezistente la rupere ale sistemelor de infuzie portabile. Ca tehnologii de prelucrare a PS şi a copolimerilor stirenici se folosesc turnarea prin injecţie, extrudere, şi turnare rotaţională.

Politetrafluoretilena

Politetrafluoretilena (PTFE) face parte din clasa polimerilor fluoruraţi, fiind cunoscută sub denumirea comercială de “Teflon”. PTFE a fost decoperită în anul 1938 şi este un material termoplastic dur şi tenace, stabil la temperaturi situate în intervalul -280ºC ÷ -300ºC. În stare topită, se caracterizează printr-o foarte ridicată vâscozitate. În consecinţă, tehnologiile de prelucrare diferă total de ale celorlalte materiale termoplastice, dar se apropie de cele ale metalelor şi ale materialelor ceramice. Structura chimică a PTFE este următoarea:

─(─CF2─CF2─)─n

Datorită accesibilităţii, inerţiei chimice, proprietăţilor fizice adecvate (duritate, flexibilitate, permeabilitate, adeziune, rezistenţă la şoc, tracţiune, alungire, rupere, torsiune), coeficientul de frecare redus dintre comprimate şi matriţe (acţionează ca şi coeficient de lubrifiere), PTFE a fost testat pentru diferite aplicaţii în chirurgia cardio-vasculară, ortopedie şi în chirurgia plastică.

Două domenii de aplicare promiţătoare a polimerilor se detaşează din problematica complexă a chirurgiei cardio-vasculare: protezele vasculare şi componentele inimii artificiale. Chirurgia cardio-vasculară corectează o serie de defecte congenitale ale inimii şi contribuie la restabilirea fluxului sanguin în ischemii miocardice, prin înlocuirea vaselor de sânge sau a valvelor cardiace. Dificultăţile sunt legate de inaccesibilitatea materialelor adecvate, netrombogenice şi cu caracteristici mecanice superioare, precum şi de necunoaşterea principiilor şi tehnicilor adecvate de implantare.

În ceea ce priveşte hemocompatibilitatea, o soluţie ar putea fi utilizarea microfibrelor din PTFE capabile să formeze un pseudoendoteliu, rezistent la acţiunea forţelor de forfecare din partea sângelui şi la diferenţele de presiune dintre contracţia cardiacă şi relaxare. Dificultăţile principale care apar la protezarea vaselor sanguine sau determinate de procesele ce decurg la suprafaţa de contact cu sângele. În general, înlocuirea vaselor de sânge de diametru mare are mai multe şanse de reuşită decât cea a vaselor mici. Protezele vasculare trebuie să reproducă proprietăţile mecanice (elasticitate, flexibilitate, porozitate) ale vaselor sanguine, în condiţiile evitării coagulării sângelui. Astfel, există proteze vasculare din PTFE expandată, constituite din tuburi care se taie, se cos şi se manipulează uşor. Protezele confecţionate din acest material, modificat prin expunere la acţiunea unui câmp electric, reproduce structura pereţilor interiori ai vaselor sanguine, care prezintă la suprafaţă sarcini negative.

Realizarea unei inimi autonome presupune alegerea unei surse de energie cu volum mic, obţinerea unui convertor de energie, miniaturizarea unei pompe şi construcţia modulului cardiac propriu-zis. Perfecţionarea modulului cardiac implică utilizarea unor materiale şi a unor forme constructive care să elimine sau să evite riscul trombozei. Problema majoră a acestui echipament protetic este evitarea trombozei şi emboliei, care depind de factori ca: tipul constructiv al pompei implantate, interfaţa material-sânge, viteza de curgere a sângelui şi modificarea mecanismului de coagulare a sângelui. În cazul utilizării clapelor pentru inimă, hemodinamica depinde de forma protezei şi interacţiunea dintre sânge şi suprafaţa polimerilor. Caracteristicile suprafeţei depind de duritatea polimerului şi de natura şi sarcina electrică a grupărilor orientate la suprafaţă. Deoarece suprafaţa clapelor cardiace trebuie să fie netrombogenă, eventual heparinizată, se utilizează clape din teflon cu polipropilenă.

PTFE se utilizează pentru fabricarea valvelor cardiace, carcasei pompelor, elementelor de conectare cu ţesuturile înconjurătoare, în pofida unor dezavantaje ca: duritate redusă, dificultăţi de prelucrare, fragilitate şi prezenţa incluziunilor. PTFE poroasă, grafitată se utilizează tot mai mult în cadrul chirurgiei maxilo-faciale şi ortopediei ca material de acoperire, pentru ataşarea la os sau completarea ţesutului osos deficitar, precum şi ca material de elecţie pentru implanturile ortopedice şi ligamentele pentru genunchi. PTFE mai are utilizări şi în cadrul chirurgiei plastice ca grefe osoase ale urechii şi, de asemenea, este folosită ca membrană poroasă (având permeabilitate mare pentru oxigen şi bioxid de carbon) pentru plămânii artificiali (implică transport interfazic de gaze sau lichide).

Teflonul joacă un rol de lubrifiant deoarece posedă o rezistenţă la frecare foarte mică, fapt ce facilitează compactarea sub presiune şi reduce forţele de ejecţie. De asemenea, din el se pot obţine comprimate cu timp de dezagregare şi rezistenţă la rupere corespunzătoare. Din combinarea PTFE cu fibre de carbon a rezultat “Proplastul”, material utilizat în unele situaţii în cadrul chirurgiei defectelor peretelui abdominal antero-lateral. Printr-un proces de expandare a teflonului s-a obţinut un material mult mai poros (PTFE expandată), fabricat actualmente în SUA sub denumirea de “Gore Tex”. Teflonul clasic este abandonat datorită capacităţii mediocre de integrare parietală.

Vâscozitatea ridicată în stare topită face ca PTFE să nu aibă caracteristici reologice suficiente pentru a putea fi prelucrată prin injecţie sau prin extrudere. De aceea, principala tehnologie de prelucrare este uzinarea sau sintetizarea.

Poliamidele

Poliamidele sunt cunoscute şi sub denumirea de nylonuri, iar nomenclatura curentă a acestor produse sugerează natura şi tipul substanţelor iniţiale folosite în sinteză. Poliamidele au următoarea structură chimică:

─(─OC─R─CO─NH─R′─NH─)─n

Pentru administrarea controlată a medicamentelor au fost obţinute microcapsulele şi microsferele preparate din poli (acid glutamic), poliizină sau copolimerii acestora. Cu mulţi ani în urmă, Harrison a arătat că structurile nylonului pierdeau în jur de 80% din rezistenţa lor în timpul unei perioade de implantare de 3 ani, unele poliamide fiind foarte hidrofile şi hidrolizabile, cu toate că gradul de absorbţie al apei este variabil.

Poliamidele sunt considerate materiale de bază pentru membrane şi tuburi folosite în dializă. Polihexametilenadipamida se degradează în mediul biologic (fenomen care scade rezistenţa la rupere), dar cu toate acestea se foloseşte ca membrane semipermeabile pentru rinichiul artificial. Folosind membrane de dializă poliamidice, majoritatea funcţiilor rinichiului artificial se asigură prin dializă, în absenţa gradientului de presiune, deşi funcţiunea normală a rinichiului presupune ultrafiltrarea. Într-o membrană poliamidică, ce prezintă pori de dimensiuni diferite pe cele două feţe, se înregistrează coeficienţi de permeabilitate diferiţi pentru difuzia gazelor. Astfel, membranele poliamidice anizotropice sunt utile pentru realizarea dispozitivelor medicale de extracţie diferenţială a unui gaz dintr-un sistem gaz-lichid. Anizotropia membranei variază în funcţie de parametrii fizico-chimici următori: natura şi masa moleculară a poliamidei, gradul de hidratare şi grosimea membranei.

Ambalajele sterile, transparente, folosite pentru confecţionarea instrumentalului chirurgical, sunt realizate dintr-o combinaţie de film termoformat şi hârtie sterilă. Filmele compozite sterilizabile cu abur, confecţionate din “Durethan PA” şi polietilenă s-au dovedit foarte potrivite pentru aceste aplicaţii. Poliamidele se folosesc şi în cazul chirurgiei cardiovasculare ca proteze arteriale constituite din tuburi care se taie, se cos şi se manipuleaza uşor. Poliamidele se utilizează şi pentru confecţionarea protezelor ortopedice. Laminatele din polimeri poroşi asigură evaporarea secreţiilor, fară blocarea porilor, astfel de polimeri fabricându-se prin impregnarea poliamidelor cu răşini epoxidice.

Nylonul se foloseşte în cazul suturilor chirurgicale sub forma de fire neabsorbabile sub formă de monofilamente împletite (“Surgilon”, “Nurolon”) sau ca monofilament simplu (“Ethilon”, “Dermalon”). Aceste tipuri de fire chirurgicale din nylon au o mare rezistenţă la tracţiune, mai mare ca mătasea naturală sau polipropilena. Datorită faptului că firele de nylon sunt rigide, trebuie ca întinderea lor să se realizeze cu grijă, pentru a se evita ruperea nodului şi posibilitatea ruperii firului în interiorul ţesutului. Incidenţa infecţiei în ţesuturile care conţin suturi din nylon este mai mică decât în cazul altor suturi neabsorbabile. Studiile in vitro au indicat că produsele de degradare ale suturilor cu nylon sunt agenti antibacteriali potenţiali, postulându-se că aceştia pot distruge unele bacterii din plagă, reducând reacţia ţesutului la sutură.

Poliamidele se mai utilizează şi pentru confecţionarea de: tuburi pentru catetere intracardiace, sonde pentru aparatul urinar, pelicule pentru împachetări şi componente pentru dializă, dispozitive pentru dozare a picăturilor şi seringi dozatoare. Tehnologiile de prelucrare ale poliamidelor sunt: injecţie, extrudere şi filare.

Poliuretanii

Compuşii macromoleculari de tip poliuretanic reprezintă o clasă de polimeri cu numeroase şi interesante aplicaţii biomedicale. Poliuretanii conţin în molecula lor un număr semnificativ de grupări uretanice:

─NH─CO─O─

indiferent de structura celorlaltor părţi ale lanţului. Cei mai mulţi poliuretani rezultă în urma reacţiei dintre diizocianaţi şi compuşi di- sau poli-hidroxilici. Biomaterialele poliuretanice convenabile sunt cele secventate, în care alternează porţiuni flexibile şi rigide. Aplicaţiile medicale ale elastomerilor poliuretanici contribuie mult la calitatea sistemului de îmbunătăţire a sănătăţii umane. Astfel, cerinţele de poliuretani sunt în continuă creştere, aceştia fiind acceptaţi ca biomateriale în majoritatea aplicaţiilor care cer compatibilitate cu ţesuturi moi sau cardiovasculare.

Pentru aplicaţii biomedicale este necesar ca rezultatele privitoare la proprietăţile mecanice ale poliuretanilor să fie corelate cu testele in vivo şi in vitro, incluzând răspunsul tisular şi compatibilitatea cu sângele a suprafeţelor nemodificate sau heparinizate. Studiul problemelor legate de acceptarea implantului poliuretanic de către sistemul fiziologic a fost realizat prin urmărirea modificărilor în timp, in vivo a biodegradării, hidrolizei şi texturii suprafeţei compusului macromolecular. Una din caracteristicile poliuretanilor este adeziunea foarte bună la ţesuturi. Astfel, poliuretanii se utilizează ca adezivi tisulari şi în endoprotezare, bazându-se pe absenţa toxicităţii, inerţiei chimice şi biologice, precum şi pe stabilitatea fizico-mecanică.

Aplicaţiile poliuretanilor mai includ: tuburi endotraheale, suturi în chirurgia vasculară, componente ale inimii artificiale (valve, artere, vene), membrane pentru dialize, adezivi pentru ţesutul nervos, meteriale pentru reconstituirea dentară, substituenţi ai gipsului (poliuretani expandaţi in situ), substituenţi ai pielii, (pentru arsuri grave), proteze mamare şi tuburi naso-gastrice. Elastomerii poliuretanici termoplastici se folosesc la confecţionarea cateterelor. “Textin” este materialul din care se confecţionează tuburile flexibile, cu pereţi subţiri, folosite sub formă de catetere venoase. “Textin” nu conţine plastifianţi şi nu produce gaze corozive la incinerare. “Baydur” este un material poliuretanic care se foloseşte pentru confecţionarea scaunelor de spital multifuncţionale, acestea fiind durabile, uşor de manevrat si curăţat. De asemenea, “Baydur” se foloseşte şi pentru realizarea sistemului modular de dializă, fiind un material transparent şi având o rezistenţa mecanică mare.

Un alt domeniu de aplicare al poliuretanilor este reprezentat de componente ale inimii artificiale, toate componentele sistemului cardiovascular (artere, vene, valve) fiind materiale compozite care prezintă diferite caracteristici de deformare în direcţie transversală si logitudinală. Această anizotropie este esenţială pentru asigurarea functiilor fiziologice, cum ar fi acomodarea vaselor de sânge la modificările sistolice şi diastolice ale presiunii sanguine şi funcţionarea valvelor inimii. Utilizaţi ca peacemarker-i (stimulează inima pentru a reveni la ritmul normal), poliuretanii sunt implantaţi subcutanat şi conectaţi la muschii inimii cu ajutorul unor electrozi. În acest scop se preferă poliuretanii datorită rezistenţei mari la tracţiune.

Polimerii poroşi sub forma spumei poliuretanice sunt materiale utilizate la implanturi ortopedice. Astfel spuma poliuretanică (preparată prin interacţiunea unei răşini trihidroxilice cu exces de diizocianat) se aplică în ortopedie sub denumirea de “Ostamer” în amestec cu catalizator adăugat în timpul intervenţiei chirurgicale. “Ostamir” realizează o fixare imediată şi sigură a osului, acţionând ca un ax intramedular care asigură rezistenţa mecanică, contribuie la reabilitarea rapidă şi regenerarea ţesutului osos al gazdei, în condiţiile unei reacţii tisulare rapide.

În stomatologie, ca materiale utilizate la sigilarea şanţurilor şi fosetelor (ca procedeu în cadrul profilaxiei dentare), s-au folosit materiale poliuretanice care sunt constituenţi ai lacurilor fluorurate, ele asigurând doar rolul de barieră mecanică intre mediul bucal şi zonele retentive. Actualmente, se utilizează mai puţin datorită retenţiei nesatisfăcătoare. Poliuretanii care intră în compoziţia cimenturilor dentare se aplică în domeniul tehnicilor de colaj (şi anume ca punţi şi imobilizări adezive) şi ca agregări adezive in ortodonţie.

Poliuretanii cu aplicaţii biomedicale se obţin prin urmatoarele tehnologii de prelucrare: injecţie, extrudere, compresie şi formare prin transfer.

Principalele utilizări ca biomateriale ale unor polimeri sintetici

Datorită proprietăţilor fizice, chimice şi mecanice pe care le posedă, materialele polimerice de sinteză utilizate ca biomateriale sunt compuşi care pot fi folosiţi pentru tratarea, regenerarea sau înlocuirea oricărui ţesut, organ sau funcţie a organismului. Principalele utilizări sunt următoarele:

  • Polimetacrilatul de metil se aplică, în special, în oftalmologie, ortopedie şi în stomatologie;
  • Polialcoolul vinilic are aplicaţii în chirurgia estetica, orală şi maxilofacială preprotetică, ca înlocuitor de plasmă sanguină, în farmacologie şi pentru realizarea firelor de sutură;
  • Polivinilpirolidona se foloseşte în domeniul farmaceutic ca agent cu diferite roluri (mai ales ca excipienţi) şi în domeniul biomedical ca înlocuitor de plasmă sanguină;
  • Policarbonaţii se utilizează ca fire de sutură chirurgicală absorbabile, transportul si eliberarea medicamentelor, în stomatologie, aparatură medicală şi ambalaje sterile;
  • Polietilentereftalatul are aplicaţii în domeniul cardiovascular, în chirurgia defectelor peretelui abdominal artero-lateral ca proteze de restaurare şi ca fire de sutură chirurgicale;
  • Polietilenglucolul se foloseşte în domeniul farmaceutic (ca excipienţi pentru diferite substanţe active, substanţe purtătoare pentru diferite medicamente şi în realizarea diferitelor preparate medicale);
  • Siliconii se folosesc ca substanţe auxiliare pentru preparate dermatologice, medicamente în unele forme de gastrită şi ulcer, excipienţi, agenţi de sterilizare a instrumentelor şi aparaturii medicale, proteze pentru operaţii plastice, mamoplastii şi repere oftalmologice şi stomatologice.

Bibliografie

1. C. Simion, D. Feldman, Tratat de chimia compuşilor macromoleculari, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1974;

2. C. Bolcu, I. Seiman, Corina Duda-Seiman, Chimia poliuretanilor la începutul mileniului 3, Ed. Eurostampa, Timişoara, 2003;

3. C. Simionescu, V. Gorduza, Polimeri biocompatibili şi biologic activi, Ed. Academiei, Bucureşti, 1980;

4. C. Simionescu, V. Bulacovschi, Tratat de chimia compuşilor macromoleculari, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1976;

5. C. Simionescu, C. Vasiliu-Oprea, V. Bulacovschi, B. Simionescu, C. Negulian, Chimie macromoleculară, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1985;

6. J. Schierholz, H. Steinhauser, A. Rump, Controlled release of antibiotics from biomedical polyurethanes: Morphological and structural features, biomaterials, 18, 839-844 (1997);

7. M. Rusu, D. Rusu, Tehnologii de prelucrare a polimerilor, Ed. Dosoftei, Iaşi, 1985;

8. O. Petrus, Materiale polimerice, Ed. Cermi, Iaşi, 1999;

9. C. Mihailescu, D. Rusu, Polimeri şi materiale compozite biodegradabile, Ed. Gh. Asachi, Iaşi, 2002;

10. C.D. Neniţescu, Chimie organică, Vol. 2, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980;

11. Gh. Boboc, D. Bratu, V. Boboc, E. Bratu, D. Munteanu, Colajul în practica ortodontică, Ed. Facla, Timişoara, 1987.

reclame
 
reclame 
Copyright 2007-2012. Toate drepturile rezervate
Orice fel de reproducere fără acordul nostru scris este interzisă.
Răspunderea pentru conţinutul articolelor le revine autorilor acestora.