Биоразградими полимериПриложения в медицината и екологията

Определение

Биоразградими полимери – разграждат се чрез ензимна и не-ензимна хидролиза при контакт с биологична среда, в която около полимера се намират живи клетки или микроорганизми (почва, морета, реки езера, телата на животни или хора)

Резорбируеми полимери – абсорбират се в живите организми

Колко дълго е необходимо за разграждането?

Памук 1-5 месеца Хартия 2-5 месеца Коноп 3-14 месеца Портокалови кори 6 месеца Вълнени чорапи 1 до 5 години Цигарени фасове 1 to 12 години Картонени кутии за мляко 5 години с пластмасово покритие Пластмасови торбички 10 до 20 години Найлонови влакна 30 до 40 години Алуминиеви кутии 80 до 100 години Пластмасови пръстени за 450 years опаковкаСтъклени бутилки 1 милион години Пластмасови бутилки Може би никога

Какво представлява деградацията на полимерите?

                                                             

Разграждането може да се раздели на 4 стъпки:

Разтваряне във вода Влошаване на механичните свойства (намаляване на

модулите и здравината) Намаляване на молекулната маса Загуба на маса

Класификация на биоразградимите полимери

Синтетични или природни биоразградими полимери? Способност за моделиране на свойствата Предсказуема еквивалентност Безопасни от гледна точка на имуногенност Надежден източник на суровини

Деградация на полимерите чрез ерозия(1)

Схеми на разграждане

Ерозия на повърхността (полиортоестери и полианхидриди) Ерозията на образеца започва от повърхността Загубата на маса е по-бърза от навлизането на вода в

обема

Разграждане в обема (PLA,PGA,PLGA, PCL) Разграждането се извършва в цялата проба Навлизането на вода в по-бързо от скоростта на

разграждане

Разграждане на матрици от микро и наносфери

(a)

Разграждане в обема

(b)

Ерозия на повърхността

Фактори, влияещи върху разграждането

Химичен състав и химична структура Разпределение на повтарящите се звена Молекулна маса Полидисперсност Наличие на нискомолекулни компоненти (мономери,

олигомери, разтворители, пластификатори и др.) Наличие на йонни групи Наличие на дефекти във веригата Конфигурационна структура

Фактори, влияещи върху разграждането

Морфология (кристалност, наличие на микроструктура, ориентация и остатъчно напрежение)

Методи и условия на преработка Метод на стерилизиране Отгряване История на съхраняване Абсорбирани компоненти Физикохимични фактори (форма, размер) Механизъм на хидролизаs (ензимна или водна)

Фактори, ускоряващи разграждането Хидрофилност на молекулата. Повече хидрофилни крайни групи. Повече реактивни хидролитични групи. По-малка степен на кристалност. Порьозност. Малки размери.

Методи за изучаване деструкцията на полимерите Промени в морфологията (набъбване, деформация,

бълбукане, изчезване…) Намаляване на маса Промени в термичното поведение

Диференциално сканираща калориметрия (DSC) Промени в молекулната маса

Вискозиметрия на разредени разтвори Гелна хроматография (SEC) MALDI мас спектрометрия

Промени в химичните свойства Инфрачервена спектроскопия (IR) Ядрено-магнитен резонан (NMR)

Основни методи за получаване

Шприцоване (получаване на матрици за лекарства) Пресоване Формоване от стопилка Изливане от разтвор

Шприцоване чрез пресоване

Частиците на полимера и лекарството се смилат до размери от 90 до 150 µm;

Сместа лекарство/полимер се компресира при налягане ~ 2x108 Pa

Образуване на определен вид таблетки/ матрици

Изливане от стопилка

Полимерът се загрява приблизително 10°C над температурата на топене за да образува вискозна течност

Лекарството се смесва със стопилката на полимера

Формуване чрез леене под налягане

Изливане от стопилка

Предимства По-равномерно разпределение на лекарството в

полимера Възможни са широка гама от форми

Недостатъци Термична нестабилност на лекарствата

(дезактивиране при нагряване) Взаимодействие на лекарството с полимера при

високи температури Цена

Изливане от разтвор

Съвместно разтваряне на лекарството и полимера в органичен разтворител

Поставяне на разтвора лекарство/полимер във форма, охладена в сух лед

Изпаряване на разтворителя

Формоване на матрица лекарство/полимер

Изливане от разтвор

Предимства Леснота Действия при стайна температура Подходящо за лекарства, чувствителни към висока

температура

Недостатъци Възможно неравномерно разпределение на

лекарството Подходящ разтворител за лекарството и полимера Нестабилност на системата Нежелана порьозност на матрицата Използване на органични разтворители – остатъци

от разтворител

Биомедицински приложения

Лечение на рани Конци Скоби Клипсове Лепила Хирургически очила

Ортопедични устройства Пинове Пръти Винтове Пирони Сухожилия

Дентални приложения Тъканна регенерираща

мембрана Пълнител след

екстракция на зъб Сърдечно-съдови

приложения Стендове

Гастро проложения Пръстени за

анастомоза Системи за доставяне на

лекарства Тъканно инженерство

Биоразградими полимери за биомедицински приложения: Природни полимери

Фибрин Колаген Хитозан Желатин Ксилоронан ...

Синтетични полимери Полимлечна киселина, полигликолид Полидиоксанон Полианхидриди Политриметилен карбонат Полифосфазени ...

Биоразградими полимери за биомедицински приложения:

Минимални изисквания към биоматериалите

Не токсичност (безопасни)Не пирогенни, не хемолитични, не запалими,

антиалергени, не канцерогенни, Ефективност

Функционалност, издръжливост Възможност за стерилизиране

Етилен оксид, гама-облъчване, облъчване с електрони, автоклави, сухо нагряване

БиосъвместимостМежду интерфейсу, механична и биологична

Защо да използваме биоразградими материали?

BONE+PLATE

BONE PLATE

Time

Mec

han

ical

Str

engt

h

Degradable Polymer Plate

Не изискват допълнителна операционна намеса за премахване

Предотвратява се стреса

Предлагат огромен потенциал за контролирано доставяне на лекарства

Предизвикателства при използването на биоразградими материали Две причини биоразградимите полимери да бъдат

обект на засилено внимание:Трудности при разработката на биосъвместими

материали – биоразградимите полимери не изискват висока степен на биосъвместимост, защото не стоят продължително в човешкото тяло;

Пациентите не предпочитат дълготрайни импланти поради риск от инфекция.

Токсичност на остатъчните продукти след биодеградацията

Приложение на биоразградимите полимери в хирургията Най-ранното и най-широко приложение на

разградимите материали е като конци при операцииВлакна от колагенПрез 1970-те в САЩ започва използването на

синтетични биоразградими материали – полигликолид, съполимер гликолид-L-лактид

Хемостаза и залепване към тъканите – фибриноген, 2-цианоакрилат и желатинТрансформиране на течните полимери до гел при

контакт с тъканите.

Синтетични биоразградими полимери в ортопедията

Polyesters

ComparisonComparison

PropertiesProperties PLAPLA PSPS PVCPVC PPPP

Yield Strength, MPa 49 49 35 35

Elongation, % 2.5 2.5 3.0 10

Tensile Modulus, GPa 3.2 3.4 2.6 1.4

Flexural Strength, MPa 70 80 90 49

Mobley, D. P. Plastics from Microbes. 1994