Синтетический биоразлагаемый полимер

Существует много возможностей для применения синтетических биоразлагаемых полимеров в биомедицинской области, особенно в области тканевой инженерии и контролируемой доставки лекарств . Деградация важна в биомедицине по многим причинам. Деградация полимерного имплантата означает, что хирургическое вмешательство может не потребоваться для удаления имплантата в конце его функционального срока службы, что устраняет необходимость во второй операции. ^[1] В тканевой инженерии биоразлагаемые полимеры могут быть разработаны таким образом, чтобы аппроксимировать ткани, создавая полимерный каркас, способный противостоять механическим напряжениям, обеспечивать подходящую поверхность для прикрепления и роста клеток и разлагаться со скоростью, позволяющей передавать нагрузку на новую ткань. . ^[2]^[3] В области контролируемой доставки лекарств биоразлагаемые полимеры открывают огромный потенциал либо как система доставки лекарств отдельно, либо в сочетании с медицинским устройством . ^[4]

Ниже рассматривается химия некоторых полимеров, включая синтез и разложение, при разработке применений биоразлагаемых полимеров. Обсуждается описание того, как свойства можно контролировать с помощью соответствующих синтетических средств контроля, таких как состав сополимера , специальные требования к обработке и обращению, а также некоторые коммерческие устройства на основе этих материалов.

Химия полимеров и выбор материалов

При исследовании выбора полимера для биомедицинских применений важными критериями, которые следует учитывать, являются:

Механические свойства должны соответствовать условиям применения и оставаться достаточно прочными до заживления окружающих тканей.
Время деградации должно соответствовать требуемому времени.
Он не вызывает токсической реакции.
Он метаболизируется в организме после выполнения своей цели.
Он легко перерабатывается в конечный продукт, имеет приемлемый срок хранения и легко стерилизуется .

Механические характеристики биоразлагаемого полимера зависят от различных факторов, включая выбор мономера , выбор инициатора , условия процесса и наличие добавок. полимеров Эти факторы влияют на кристалличность , плавления и стеклования температуры , а также молекулярную массу . Каждый из этих факторов необходимо оценить на предмет того, как они влияют на биоразложение полимера. ^[5] Биодеградацию можно осуществить путем синтеза полимеров с гидролитически нестабильными связями в основной цепи. Это обычно достигается за счет использования химических функциональных групп, таких как сложные эфиры , ангидриды , ортоэфиры и амиды . Большинство биоразлагаемых полимеров синтезируют путем полимеризации с раскрытием кольца.

Обработка

Биоразлагаемые полимеры можно перерабатывать в расплаве обычными способами, такими как компрессионное или литьевое формование . Особое внимание необходимо уделить необходимости исключить попадание влаги в материал. Необходимо позаботиться о том, чтобы полимеры высушивались перед обработкой, чтобы исключить попадание влаги. Поскольку большинство биоразлагаемых полимеров были синтезированы путем полимеризации с раскрытием цикла, существует термодинамическое равновесие между прямой реакцией полимеризации и обратной реакцией, которая приводит к образованию мономера. Необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать чрезмерно высокой температуры обработки, которая может привести к образованию мономера в процессе формования и экструзии. За этим необходимо тщательно следить. Рассасывающиеся полимеры также можно печатать на 3D-принтере . ^[6]

Деградация

После имплантации биоразлагаемое устройство должно сохранять свои механические свойства до тех пор, пока оно больше не понадобится, а затем абсорбироваться организмом, не оставляя следов. Основная цепь полимера гидролитически нестабильна. То есть полимер нестабилен в среде на водной основе. Это преобладающий механизм деградации полимеров. Это происходит в два этапа.

1. Вода проникает в объем устройства, разрушая химические связи в аморфной фазе и превращая длинные полимерные цепи в более короткие водорастворимые фрагменты. Это вызывает уменьшение молекулярной массы без потери физических свойств, поскольку полимер по-прежнему удерживается кристаллическими областями. Вода проникает в устройство, что приводит к метаболизации фрагментов и объемной эрозии .

2. Поверхностная эрозия полимера возникает, когда скорость проникновения воды в устройство ниже скорости превращения полимера в водорастворимые материалы.

Биомедицинские инженеры могут адаптировать полимер так, чтобы он медленно разлагался и передавал стресс с соответствующей скоростью окружающим тканям по мере их заживления, балансируя химическую стабильность основной цепи полимера, геометрию устройства и присутствие катализаторов, добавок или пластификаторов.

Приложения

Биоразлагаемые полимеры коммерчески используются как в тканевой инженерии, так и в области доставки лекарств в биомедицине. Конкретные приложения включают в себя.

Швы
Стоматологические устройства ( PLGA )
Ортопедические фиксирующие устройства
тканевой инженерии Каркасы
Биоразлагаемые сосудистые стенты
Биоразлагаемые фиксаторы для мягких тканей.

Ссылки

^ Позолота, ДК; Рид, AM (1979). «Биоразлагаемые полимеры для использования в хирургии - гомо- и сополимеры полигликоля / поли(молочной кислоты): 1». Полимер . 20 (12): 1459. doi : 10.1016/0032-3861(79)90009-0 .
^ Петржак, В.С.; Верстинен, МЛ; Сарвер, Д.Р. (1997). «Биорассасывающиеся фиксирующие устройства: Состояние черепно-челюстно-лицевого хирурга». Журнал черепно-лицевой хирургии . 8 (2): 92–6. дои : 10.1097/00001665-199703000-00005 . ПМИД 10332273 . S2CID 43882928 .
^ Петржак, В.С.; Сарвер, доктор медицинских наук; Верстинен, М.Л. (1997). «Наука о биоабсорбируемых полимерах для практикующего хирурга». Журнал черепно-лицевой хирургии . 8 (2): 87–91. дои : 10.1097/00001665-199703000-00004 . ПМИД 10332272 . S2CID 11105323 .
^ Миддлтон, Джон К. и Типтон, Артур Дж. (март 1998 г.) Синтетические биоразлагаемые полимеры как медицинские устройства , журнал «Медицинские пластмассы и биоматериалы», получено (9 ноября 2009 г.)
^ Кон Дж. и Лангер Р., «Биорезорбируемые и биоразлагаемые материалы», в журнале «Наука о биоматериалах: введение в материалы в медицине» , Ратнер Б.Д. (ред.), Нью-Йорк, Academic Press, 2004 г. ISBN 0125824637 , стр. 115 и далее.
^ Адольфссон, Карин Х.; Сьёберг, Ида; Хёглунд, Одд В.; Уоттл, Уве; Хаккарайнен, Минна (2 августа 2021 г.). «Деградация in vivo и in vitro рассасывающегося устройства, напечатанного на 3D-принтере, для перевязки сосудистой ткани у лошадей» . Макромолекулярная биология . 21 (10): 2100164. doi : 10.1002/mabi.202100164 . ПМИД 34339098 .

Дальнейшее чтение

Некоторые биоразлагаемые полимеры, их свойства и время разложения можно найти в Таблице 2 данного документа .
Пример структуры некоторых типов деградации полимера можно посмотреть на рис. 1 в этой статье.
Беллин И., Келч С., Лангер Р. и Лендлейн А. Полимерные материалы тройной формы . Учеб. Натл. акад. наук. USA 103, 18043-18047 (2006. Авторские права (2006) Национальная академия наук США).
Лендлейн А., Цзян Х., Юнгер О. и Лангер Р. Светоиндуцированные полимеры с памятью формы . Природа 434, 879–882 (2005).
Лендлейн А., Лангер Р.: Биоразлагаемые эластичные полимеры с памятью формы для потенциальных биомедицинских применений, Science 296, 1673–1675 (2002).
Лендлейн А., Шмидт А.М. и Лангер Р. Сети AB-полимеров на основе сегментов олиго (е-капролактона), демонстрирующие свойства памяти формы , и эта статья . Учеб. Натл. акад. наук. США 98(3), 842–847 (2001). Авторские права (2001) Национальная академия наук США.
Дамодаран В., Бхатнагар Д., Мурти, Санджива: Синтез и обработка биомедицинских полимеров, SpringerBriefs in Applied Sciences and Technology, DOI: 10.1007/978-3-319-32053-3 (2016).

Внешние ссылки

Обзор биоразлагаемых пластиков за год , Совет по окружающей среде и индустрии пластмасс

[1] Позолота, ДК; Рид, AM (1979). «Биоразлагаемые полимеры для использования в хирургии - гомо- и сополимеры полигликоля / поли(молочной кислоты): 1». Полимер . 20 (12): 1459. doi : 10.1016/0032-3861(79)90009-0 .

[2] Петржак, В.С.; Верстинен, МЛ; Сарвер, Д.Р. (1997). «Биорассасывающиеся фиксирующие устройства: Состояние черепно-челюстно-лицевого хирурга». Журнал черепно-лицевой хирургии . 8 (2): 92–6. дои : 10.1097/00001665-199703000-00005 . ПМИД 10332273 . S2CID 43882928 .

[3] Петржак, В.С.; Сарвер, доктор медицинских наук; Верстинен, М.Л. (1997). «Наука о биоабсорбируемых полимерах для практикующего хирурга». Журнал черепно-лицевой хирургии . 8 (2): 87–91. дои : 10.1097/00001665-199703000-00004 . ПМИД 10332272 . S2CID 11105323 .

[4] Миддлтон, Джон К. и Типтон, Артур Дж. (март 1998 г.) Синтетические биоразлагаемые полимеры как медицинские устройства , журнал «Медицинские пластмассы и биоматериалы», получено (9 ноября 2009 г.)

[5] Кон Дж. и Лангер Р., «Биорезорбируемые и биоразлагаемые материалы», в журнале «Наука о биоматериалах: введение в материалы в медицине» , Ратнер Б.Д. (ред.), Нью-Йорк, Academic Press, 2004 г. ISBN 0125824637 , стр. 115 и далее.

[6] Адольфссон, Карин Х.; Сьёберг, Ида; Хёглунд, Одд В.; Уоттл, Уве; Хаккарайнен, Минна (2 августа 2021 г.). «Деградация in vivo и in vitro рассасывающегося устройства, напечатанного на 3D-принтере, для перевязки сосудистой ткани у лошадей» . Макромолекулярная биология . 21 (10): 2100164. doi : 10.1002/mabi.202100164 . ПМИД 34339098 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]