Биосовместимость полимеров, получаемых по различным механизмам полимеризации и их классификация

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Биоорганическая химия»

Биосовместимость полимеров, получаемых по различным механизмам полимеризации и их классификация

Введение

Актуальность моей темы заключается в том, что на сегодняшний день полимеры в медицине применяются практически повсеместно. Наибольшее распространение в данной сфере получили изделия, выполненные на основе высокомолекулярных соединений и представляющие собой пластмассы. Из них изготавливают искусственные сосуды, суставы и иные изделия, имитирующие ткани и органы человеческого организма.

Из полиамидов, кроме всего прочего, изготавливают хирургические нити, а из полиуретанов - камеры искусственного сердца, то есть вещества дающие желаемую реакцию с живыми тканями организма.

Биосовместимые полимеры могут применяться не только в восстановительной хирургии. В настоящее время существует большое количество перспективных направлений на основе биосовместимых полимерах, такие как:

1. Пленки для чрезслизистого введения, содержащие психотропные препараты, пептидные регуляторы, противозачаточные средства, цитостатики, простогландины

2. Детские дозированные лекарственные формы для парентерального введения

3. Протезы для сосудистой хирургии с антиаггрегативным покрытием

4. Рентгеноконтрастные гидрогели при обтурировании расширенных вен пищевода

5. Биоклеи в не инвазивной терапии язвенной болезни желудка и 12 перстной кишки

6. Иммунизация против инфекционных заболеваний

Перспективность данных направлений доказана в экспериментальных исследованиях, и для части из них получены обнадеживающие клинические данные.

Общее понятие о полимерах

Полимер это (от греч. рплэ- -- «много» и мЭспт -- «часть») -- высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), состоит из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок -- составных звеньев, соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные (например, целлюлоза) или разветвленные (например, амилопектин) цепи, а также пространственные трёхмерные структуры.

Часто в его строении можно выделить мономер -- повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, называют например поливинилхлорид (--СН2--СНСl--)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат.

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, в быту (посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Процесс полимеризации

Полимеризамция (от греч. polymeres-состоящий из многих частей), процесс получения высокомолекулярных соединений, при к-ром молекула полимера (макромолекула)образуется путем последовательгого присоединения молекул низ-комол. в-ва (мономера)к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. По числу участвующих в р-ции мономеров полимеризацию разделяют на гомополимеризацию (один мономер) и сополимеризацию (два и более), в зависимости от природы активного центра на радикальную полимеризацию, в к-рой активным центром является своб. радикал (макрорадикал), и ионную полимеризацию, где активные центры-ионы, ионные пары или поляризованной молекулы .Важный вид полимеризации-стереоспецифическая полимеризация, при к-рой образуются полимеры с упорядоченной пространств. структурой (стереорегулярные полимеры).

В полимеризацию вступают в-ва, содержащие кратные связи C=C, C=O, C=N и т.д., либо способные раскрываться циклич. группировки (оксиды олефинов, циклич. простые и сложные эфиры, циклосилоксаны, лактамы и др.). Полимеризация большинства мономеров идет с выделением тепла ( < О) и уменьшением энтропии гл. обр. за счет потери постулат, степеней свободы молекулами мономера ( < О). Полимеризация таких в-в термодинамически возможна (т.е. реализуется условие убыли своб. энергии ; см. Химическая термодинамика)лишь ниже нек-рой предельной т-ры ; выше Тпр термодинамически более выгодна деполимеризация полимера (см. Деструкция полимеров). Для большинства винильных и диеновых соед. T достаточно высока: напр., для стирола она равна 3300C (исключение -a-метилстирол, Tпр -- 610C); для мономеров др. типов низкая Тпр м. б. общим правилом; напр., для ТГФ Tпр= 850C, для ацетальдегида Tпр= -260C.

Полимеризация - особый тип цепных реакции; в ней развитие кинетич. цепи сопровождается ростом материальной цепи макромолекулы.

Процесс включает неск. осн. стадий, т. наз. элементарных актов: инициирование превращ. небольшой доли молекул мономера в активные центры под действием специально вводимых в-в (инициаторы радикальные и катализаторы полимеризации), излучения высоких энергий (радиационная полимеризация), света (фотополимеризация)или электрич. тока; рост цепи последоват. присоединение молекул мономера (M) к активному центру(M*):

обрыв цепи -гибель активного центра при его р-ции с др. активным центром, к.-л. др. в-вом или из-за изомеризации в неактивные продукты; передача цепи -переход активного центра на к.-л. др. частицу (мономер, р-ритель, полимер и т. п.), начинающую рост новой макромолекулы (в присут. больших кол-в активного агента передачи цепи образуются только в-ва невысокой мол. массы; такой процесс наз. теломеризацией). Первые две стадии присутствуют во всех процессах полимеризации; обрыв и (или) передача цепи в ряде случаев могут отсутствовать. Вид кинетич. ур-ний полимеризации зависит от механизма конкретных процессов. При их выводе принимают, что активность растущих макромолекулне зависит от их длины и что общая скорость равна скорости р-ции роста цепи (р-ция обычно бимолекулярна)

полимер органический биосовместимый терапия

где [M] и [M*]-соотв. концентрации мономера и активных центров, kp- константа скорости роста цепи (возможны и др. случаи, как, напр., в координационно-ионной полимеризации). Для нахождения [M *] часто (если время жизни активных частиц мало по сравнению с общим временем процесса) используют т. наз. принцип стационарности, т. е. полагают, что скорости инициирования и обрыва цепи равны (подробнее см. Радикальная полимеризация, Кинетика химическая).

В р-ции роста, обрыва и передачи цепи может с определенной вероятностью вступить растущая цепь любой длины, поэтому степень полимеризации (число мономерных звеньев в макромолекуле) и молекулярная масса полимеров являются ста-тистич. величинами; их средние значения и характер моле-кулярно-массового распределения определяются механизмом полимеризации и могут быть вычислены, если известна кинетич. схема процесса.

Полимеризация может быть осуществлена разл. способами, различающимися по агрегатному состоянию системы. Наиб. распространены блочная полимеризация мономера, полимеризация в растворе, полимеризация в водных дисперсиях (эмульсионная или суспензионная полимеризация), полимеризация газообразного мономера под действием ионизирующего излучения или на пов-сти твердых катализаторов (газофазная полимеризация), а также твердофазная полимеризация (полимеризация твердого мономера под действием ионизир. излучения или света). Известна полимеризация на наполнителях.

Методами полимеризации получают 3/4 общего мирового выпуска синтетич. полимеров, в т.ч. такие наиб. крупнотоннажные, как полиолефины,полистирол, поливинилхлорид, а также осн. массу CK (см. Каучуки синтетические).

На полимеризацию (сначала как на побочную р-цию) было указано еще в сер. 19 в., практически одновременно с выделением первых способных к ней в-в (винилхлорида, стирола, изопрена), однако ее хим. сущность и тесная связь с цепными р-циями были поняты лишь в 20-30-е гг. 20 в. благодаря работам С. В. Лебедева, Г. Штаудингера, С. С. Медведева, Г. Марка, К. Циглера и др.

Биосовместимость полимеров

Под биоматериалами подразумевают нежизнеспособный материал, предназначенный для контакта с живой тканью для выполнения функций медицинского назначения. Биоматериал должен быть биосовместимым и может быть биодеградируемым.

Биосовместимость (БС) - это обеспечение желаемой реакции живых тканей на нежизнеспособные биоматериалы. Биосовместимым является материал, который обладает способностью вырабатывать соответствующий отклик хозяина при специфическом его использовании. Это определение сформулировано на совещании рабочей группы, прошедшем в Амстердаме (Williams, 1987). Авторы делают акцент на том, что биосовместимость - это не полное отсутствие токсичности или иных отрицательных свойств, а требование того, чтобы материал при имплантации вел себя адекватным образом, позволяющим выполнить поставленную задачу. В.И. Севастьянов (1999), анализируя имеющуюся информацию, выделяет следующие основные свойства биосовместимых материалов:

· Биоматериалы не должны вызывать местной воспалительной реакции;

· Биоматериалы не должны оказывать токсического и аллергического действия на организм;

· Биоматериалы не должны обладать канцерогенным действием;

· Биоматериалы не должны провоцировать развитие инфекции;

· Биоматериалы должны сохранять функциональные свойства в течение предусмотренного срока эксплуатации.

Биосовместимые материалы и устройства действуют или функционируют гармонично и согласованно при нахождении в организме или контакте с биологическими жидкостями, не вызывая заболевания или болезненных реакций. Следует подчеркнуть, что никакой биоматериал, вероятно, за исключением того, который будет получен с помощью генной инженерии и клонирования, не может быть абсолютно биосовместимым. В частности, эндопротезы тазобедренного, коленного, голеностопного и других суставов со временем теряют свои биомеханические характеристики. При этом в процессе трения и многократных циклических нагрузок на компоненты протеза (полиэтилен, металлические части, цемент) образуются многочисленные микрочастицы, которые легко перемещаются по организму, блокируют функцию фагоцитирующих клеток и определяются в печени, почках и легких. Все это может привести к различного рода осложнениям, вплоть до развития злокачественных новообразований.

Следовательно, реально существующая практика позволяет говорить лишь о существовании относительно биосовместимых и безопасных биоматериалов. Они могут находиться в организме в течение длительного периода времени, достаточного для выполнения своей функции, не вызывая в нем развития негативных реакций. Уровень относительной биосовместимости для разных биоматериалов может быть различным. Это интегральный показатель, и его трудно определить количественно. В каждом конкретном случае требуется использовать свой подход и относиться с осторожностью к полученным результатам.

Классификация полимеров

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

· Органические полимеры.

· Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель -- кремнийорганические соединения.

Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания разных групп полимеров. Это композиционные материалы (например стеклопластики).

По форме макромолекул полимеры делят на :

· Линейные

· Разветвлённые (частный случай -- звездообразные),

· Ленточные

· Плоские

· Полимерные сетки и так далее.

Полимеры подразделяют по полярности (влияющей на растворимость в различных жидкостях). Полярность звеньев полимера определяется наличием в их составе диполей -- молекул с разобщённым распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных звеньях дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются. Полимеры, звенья которых обладают значительной полярностью, называют гидрофильными или полярными. Полимеры с неполярными звеньями -- неполярными, гидрофобными. Полимеры, содержащие как полярные, так и неполярные звенья, называются амфифильными.

По отношению к нагреву полимеры подразделяют на :

· Термопластичные

· Термореактивные

Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим.

Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул.

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных -- высокомолекулярных.

Биополимеры классифицируют в зависимости от области их применения:

· Биополимеры, на основе которых создаются соединительные элементы для внутренних органов. Предназначены для осуществления гомеостаза, при операциях на внутренних органах, обеспечение физической герметизации швов.

· Биополимеры, на основе которых создаются комплекты, для заполнения дефектов черепа. Предназначены для пластической реконструкции посттравматических и послеоперационных дефектов черепа.

· Биополимеры, из которых изготавливают штифты для остеосинтеза, предназначенные чтобы фиксировать переломы длинных трубчатых костей.

· Материал биополимерный для заполнения костей. Предназаначен для заполнения костных полостей с целью предотвращения образования костного регенерата.

· Имплантаты для замещения тел и дисков позвонков. Используются при травматических или патологических нарушениях.

Список использованной литературы

1. Е.С.Гуринова, Полимерные материалы в стоматологии: методическое пособие по биоорганической химии для студентов 1 курса стоматологического факультета/ Е.С.Гуринова, Т.Н. Соколова. - Витебск-2002. - 14 с., 20 с.

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/polimery - свободная online энциклопедия «Википедия», статья «Polimery»

3. Оудиап Дж., Основы химии полимеров, пер. с англ., M., 1974; Encyclopedia of polymer science and technology - 1-16 c.

4. Бреслер С. E., Ерусалимский Б. Л., Физика и химия макромолекул, M.-Л., 1965. - 217-219 c.

5. Берлин Ал. Ал., Вольфсон С. А., Кинетический метод в синтезе полимеров, M., 1999.- 101 c.

6. http://inpolimed.com/biosovmestimye_polimery, статья “Биосовместимые полимеры”.

7. Хенч Л., Джонс Д. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей. -- М.: Техносфера, 2007. -- 304 с.

8. Terminology for the bio-nano interface, PAS 132:2007. -- BSI (British standarts), 2007. -- 18 с.

Размещено на Allbest.ru