Биодеградируемые имплантаты

История

В конце 1960 и начале 1970-х годов, в литературе стали появляться доклады об исследовании применения у животных биоабсорбируемых полимеров. В 1966 году Kulkarni опубликовал отчёт о биосовместимости LPLA-полимеров у животных. Полимер был имплантирован в виде порошка морским свинкам и крысам. В обоих случаях гистологический ответ и деградация полимера изучались в течение 2 месяцев. В 1971 году Kulkarni представил результаты использования LPLA пластин и винтов для стабилизации перелома нижней челюсти. В том же году, и Cutright представил свои работы по использованию LPLA шва, для исправления переломов нижней челюсти. Оба исследования показали, что материал не вызывает воспалительных реакций или реакцию на инородные тела, хотя имплантат не полностью деградировал в конце исследования.

Профессор Технологического Университета Тампере (Финляндия) Pertti Törmälä начал исследования по биодеградируемым материалам в 1977 году. В 1984 году профессор Государственного Медицинского Университета г. Хельсинки (Финляндия) Rokkanen выполнил первую операцию с использованием биодеградируемых имплантатов. Для фиксации перелома лодыжки у пациентки был использован биодеградируемый пин.

Дальнейшее развитие биодеградируемых имплантатов было направлено на достижение оптимальных характеристик скорости деградации, жесткости, прочности, пластичности. Также стали разрабатываться комплексные системы (включающие пластины, винты) для проведения операций в определённой области скелета.

Магистратура и аспирантура

 Согласно принципу непрерывного образования, кроме профилей подготовки бакалавров на кафедре по направлению «Химическая технология» реализуются три магистерские программы и программа аспирантуры.

Программы магистратуры:

 — «Технология полимерных композиционных материалов и искусственных кож» руководитель д.т.н., проф. Бокова Елена Сергеевна

 — «Химическая технология полимерных волокон и композиционных материалов» руководитель к.т.н. доцент Редина Людмила Васильевна

— «Полимерные материалы медико-биологического назначения» руководитель д.х.н., проф. Кильдеева Наталия Рустемовна
 

Направления научных исследований:

Преподаватели, аспиранты и студенты кафедры ведут активную научно-исследовательскую работу, участвуют в различных семинарах и конференциях. Тематика  научных и исследовательских работ определяется сформировавшимся научным направлением, в основе которого – исследование физико-химических процессов  комплексообразования в полимер–полимерных системах, модифицирования природных и синтетических полимеров и создание на их основе новых волокнистых, нановолокнистых и пленочных материалов обладающих специальными свойствами для легкой промышленности, техники, медицины, биотехнологии. 

 
На научно-технического семинаре 2018 г.

НИР кафедры были включены в целый ряд государственных и межвузовских программ («Университеты России», «Текстиль России», «Высокоэффективные технологии социальной сферы», «Новейшие методы биоинженерии», «Национальные приоритеты в медицине и здравоохранении», «Химия», «Российская космическая программа»). 

Научно исследовательская работа проводилась и проводится в настоящее время в рамках грантов РФФИ (2009, 2015-2017гг) и научно-технических программ Минобразования и науки, в том числе федеральной целевой НТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям  развития науки и техники» на2005-2006гг., программ «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011гг) и  «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013гг и хозяйственным договорам с предприятиями.

Студенты, проявляющие интерес к научным исследованиям участвуют в выполнении работ по научным программам и грантам Минобрнауки РФ,  выступают с докладами на национальных и международных конференциях, участвуют в общероссийских олимпиадах, съездах и симпозиумах, конкурсах, где их нередко награждают дипломами и грамотами, званием лауреата.

  
Школьники из г. Видное МО, на конференции МИР  
 

Помимо научной деятельности преподаватели со студентами участвуют на выставках и  в конкурсах различных  технических и творческих профилей.  

Биодеградация пластика

Биоразлагаемым называют такие виды пластика, которые сохраняют требуемые свойства и механическую прочность на протяжении периода использования, но разлагаются на составляющие и нетоксические добавки после использования. Такое разложение достигается за счет действия микроорганизмов на материал, обычно представляющий собой нерастворимую в воде пластмассу. Биоразлагаемые пластики получают путем химического синтеза, ферментирования микроорганизмами и из химически измененных естественных материалов (см. Биопластики).

Скорость биоразложения сильно различается для разных видов пластика. Например, трубы на основе ПВХ используются в системах канализации при сборе сточных вод, так как ПВХ сопротивляется биоразложению. Некоторые упаковочные материалы разработаны таким образом, чтобы быстрее деградировать после контакта с окружающей средой.

Примеры синтетических полимеров с быстрым разложением: поликапролактон, другие полиэфиры и ароматические алифатические эфиры (их сложноэфирные связи чувствительны к воздействию воды). Важными примерами являются , возобновляемый пластик на основе полилактида, синтетический поликапролактон. Также применяются биоразлагаемые пластики на основе целлюлозы: Ацетилцеллюлоза и целлулоид (нитрат целлюлозы).

Примером пластика с быстрой биодеградацией является полилактид.

В условиях анаэробного разложения () пластики разлагаются медленнее. Процесс разрушения может быть ускорен при использовании компостирования (аэробного разложения). Пластмассы на основе крахмала разрушаются в течение двух-четырех месяцев в условиях частного компостирования, тогда как полилактид требует для разложения более высоких температур. Составы на основе поликапролактона и сочетания поликапролактона и крахмала разлагаются медленнее, но наличие крахмала ускоряет разложение, создавая поры и увеличивая площадь поликапролактона. Такие составы разлагаются на протяжении многих месяцев. В 2016 году появились сообщения о бактерии Ideonella sakaiensis, которая разлагает полиэтилентерефталат (ПЭТФ), применяемый в пластиковых бутылках.

В Европейском союзе введены четыре критерия для отнесения материалов к компостируемым (стандарт EN 13432, ГОСТ Р 54530-2011):

1. Химический состав: ограничивается содержание летучих веществ, тяжелых металлов, а также фтора
2. Биоразлагаемость: преобразование микроорганизмами более чем 90 % исходного материала в CO2, воду и минералы в течение не более чем 6 месяцев.
3. Разрушение структуры: не менее 90 % исходной массы должно разложиться на частицы, которые могут пройти через сито с ячейками 2×2 мм.
4. отсутствие токсичных веществ и других веществ, которые препятствуют компостированию.

Биодеградируемые материалы

С развитием медицины материалы, из которых изготавливались имплантаты, также изменялись. Если поначалу применялись и древесина, и ткани животных, то в последние десятилетия в хирургической практике получили распространение металлические имплантаты, сначала из нержавеющей стали, а позднее из титана. Новым витком развития стало появление биодеградируемых имплантатов.

В состав биодеградируемых имплантатов входят молочная кислота (L-лактид: Очень прочный, долго распадается); гликолевая кислота (гликолид: Очень быстро резорбируется); L,D-лактид: Пластичный, образует быстро разрушаемую кристаллическую решетку; триметилен карбонат (TMC: Пластичный). Эти составляющие являются естественными для организма человека. Для каждого имплантата подбирается наиболее оптимальное соотношение данных полимеров, в зависимости от тех свойств, которыми должен обладать конечный продукт (прочность, эластичность, пластичность, время деградации).

Благодаря своему составу, биодеградируемые имплантаты с течением времени распадаются путём гидролиза в альфа-гидроксильные кислоты и метаболизируются организмом.

Методы борьбы

• Охлаждение. Наиболее известный прибор для борьбы с биодеградацией продуктов — бытовой холодильник и морозильник. Охлаждение/замораживание затормаживает или останавливает жизнедеятельность большинства организмов. Это делает возможным длительное хранение не только продуктов питания, но и, например, био-медицинских образцов, медикаментов, химических и биологических веществ (белков, растворов аминокислот и т. п.). Наиболее часто встречающиеся степени охлаждения: около 5 °C — обычные холодильники; около −15°С — бытовые морозильники; до −80°С и до −135°С — морозильники глубокой заморозки — часто применяются для хранения биологических образцов; −196°С — приборы и устройства, использующие жидкий азот (криоконсервация) — обычно применяются для хранения особо чувствительных к биоразложению медицинских образцов.
• Химобработка. Пропитка материалов или обработка их поверхностей веществами, ядовитыми (реже — отпугивающими) для организмов, вызывающих биодеградацию. Примером может служить пропитка древесины, предотвращающая гниение и/или развитие плесени.
• Высушивание часто позволяет существенно снизить скорость биодеградации, так как организмы для жизнедеятельности нуждаются в воде. Например, обычное мясо при 5 °C портится уже через несколько дней, в то время как сушёное хранится годами при комнатной температуре (и низкой влажности). Аминокислота триптофан, растворённая в воде, биоразлагается в течение недель, чаще — дней, в то время как сухое вещество хранится месяцами без существенных изменений.
• Стерилизация:

• Термическая обработка чаще всего применяется к продуктам питания. Нагревание позволяет уничтожить бактерии и, зачастую, их споры, таким образом задерживая процессы биодеградации. Различают разные степени термообработки и разные способы её проведения, например: пастеризацию, кипячение, термическую стерилизацию, автоклавирование.
• Ультрафиолетовая обработка. Обработка ультрафиолетовым светом позволяет уничтожить микроорганизмы в помещении и на открытых поверхностях, таким образом, уменьшить скорость биодеградации. Метод широко примеряется в биохимических и биомедицинских лабораториях. Недостаток метода: ультрафиолетовая обработка деструктивно действует на многие материалы, в особенности на пластмассы.
• Радиационная обработка — уничтожение живых организмов ионизирующим излучением.

Описание

Применение синтетических биоразлагаемых полимеров наиболее актуально для двух сфер жизнедеятельности человека — медицины и защиты окружающей среды.

Большинство полимеров, используемых для производства полимерной упаковки, являются биоинертными (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат, полистирол и др.) и не разлагаются в естественных условиях в течение длительного времени. Это требует определённых мер по налаживанию их утилизации, либо, когда это возможно, вторичной переработки. Оба процесса достаточно энерго- и трудозатратны и не исключают загрязнения окружающей среды.

В последние годы интенсивно проводятся работы по исследованию и созданию биоразлагаемых полимеров (подвергающихся быстрой деструкции под влиянием факторов окружающей среды, в том числе, разрушающихся под воздействием микроорганизмов), приближающихся по эксплуатационным характеристикам к традиционным полимерным материалам для упаковки. В ряде зарубежных стран (Япония, США, некоторые страны Евросоюза и т. д.) уже сейчас существенная часть упаковочных материалов производится из биоразлагаемых материалов. Из них следует отметить: биоразлагаемые материалы на основе сополимеров полигидроксибутирата и полигидроксивалерата — материал Biopol (фирма ICI, Великобритания); на основе гидроксикарбоновой кислоты и ее лактида — Novon (фирма Wamer-Lampert & Co, США); на основе ацетата целлюлозы с различными добавками и пластификаторами — Biocell (Франция); на основе полиамида-6 (6,6) с добавками природного происхождения и синтетических биоразлагаемых олигомеров — Mater-Bi (фирма Novomot, Италия). В США широко распространены биоразлагаемые на открытом воздухе упаковки TONE на основе капролактама.

Одним из перспективных направлений в этой области является использование нанокомпозитов на основе биодеградируемых полимеров и органомодифицированных слоистых силикатов (специальным образом подготовленных природных глин), которые обладают улучшенными механическими и теплофизическими свойствами, а также могут с большей скоростью разлагаться за счет уменьшения степени кристалличности полимера и интеркаляционного введения в межслоевое пространство глины инициаторов деструкции полимера.

В процессе биодеградации макромолекулы сначала распадаются на фрагменты с меньшей молекулярной массой — олигомеры, которые затем перерабатываются бактериями. В конце концов продуктами распада являются углекислый газ и вода.

Биоразлагаемые полимеры, использующиеся в медицине, при контакте с биологическими средами живого организма могут растворяться в этих средах без изменения молекулярной массы или подвергаться биодеструкции по следующим основным механизмам: гидролиз с образованием олигомерных и мономерных продуктов, ферментативный гидролиз и фагоцитарное разрушение (защитная клеточная реакция организма). В реальных условиях скорость биодеструкции обусловлена суммарным действием указанных факторов. Широко используемым в медицине биоразлагаемым полимером является, например, шовный материал для хирургии на основе водорастворимых полимеров. Перспективно использование биоразлагаемых полимеров в качестве имплантатов, которые могут постепенно заменяться в организме костной, хрящевой или другой живой тканью. Одними из первых в тканевой инженерии стали применяться биодеградируемые синтетические биоматериалы на основе полимеров органических кислот, например, молочной (PLA, полилактат) и гликолевой (PGA, полигликолид). Матрицы на основе органических кислот легли в основу создания таких органов и тканей, как кожа, кость, хрящ, сухожилие, мышцы (поперечно-полосатая, гладкая и сердечная), тонкая кишка и др. Особое место среди материалов для биоматрицносителей занимают коллаген, хитозан и альгинат. Коллаген (белковая фракция животных тканей) практически не имеет антигенных свойств. Альгинат — полисахарид из морских водорослей. Хитозан — азотсодержащий полисахарид, который получают из хитиновых панцирей ракообразных и моллюсков. Комбинированный по составу препарат — коллагеново-хитозановый комплекс разрешен Минздравом РФ в качестве перевязочного, ранозаживляющего средства и уже используется в клинической практике в хирургии и стоматологии. Биодеградируемые полимеры могут применяться в качестве носителей лекарственных препаратов в системах с их контролируемым высвобождением.