biotechnologia


 
 

Poliuretany biodegradowalne w implantologii

Autor: Magda Mazurkiewicz

Polimery są to substancje w których podjednostki je budujące powtarzają się wielokrotnie, sprawiając, że ich masa cząsteczkowa jest względnie duża. Polimerami o wysoce zróżnicowanych właściwościach są poliuretany (PU, PUR). Możliwość modyfikowania ich struktury i innych parametrów w szerokim zakresie sprawia, że są one powszechnie wykorzystywane w przemyśle np. w wytwórniach lakierów, farb, klejów, pianek meblarskich, odzieży. Poliuretany są związkami powstającymi na drodze syntezy chemicznej. Pomimo nienaturalnego pochodzenia część z nich wykorzystywana jest w medycynie w formie biomateriałów [1].

Biomateriały są to takie związki, które są zdolne do oddziaływania z żywymi komórkami, jednocześnie nie wzmagając ich śmierci - cecha ta nazywana jest biokompatybilnością [2]. Nie należy mylić biomateriału z materiałem biologicznym (posiadającym materiał genetyczny), nie są to synonimy. Zdolność do kooperacji biomateriałów z żywymi komórkami organizmu jest wykorzystywana do tworzenia implantów. Implant jest urządzeniem medycznym, który w całości lub w części jest umieszczany we wnętrzu organizmu [2]. Cywilizacja Majów posługiwała się implantami w celach zarówno zdrowotnych (rysunek 1) jak i upiększających. Jadeitowymi lub miedzianymi słomkami tworzyli oni wnęki w zębach, które były wypełniane kolorowymi kamieniami np. turkusem lub cynobrem [3]. Inkowie zaś wykorzystywali biokompatybilne cechy złota i srebra w celu zamykania otworów pooperacyjnych w czaszce [4].


Rys. 1. Implant zęba z masy perłowej wykonanej z wewnętrznej części muszli. Używano go przez kilka lat. Po lewej stronie zdjęcia widać prawdziwy ząb, który (w odróżnieniu od implantu) posiada kanał korzeniowy [3].

Oczekiwania co do implantów i biomateriałów w dzisiejszych czasach są bardziej wygórowane i zróżnicowane niż kiedyś. Od niektórych z nich wymaga się mechanicznego wsparcia organizmu np. stenty, przypominające małe „sprężynki” udrażniają i wzmacniają naczynia krwionośne. Czasami ważnym aspektem jest biostabilność - polegająca na braku zdolności do rozpadu pod wpływem działania organizmu [2]. Za biostabilne uważa się implanty, mające za zadanie przebywać w organizmie powyżej 29 dni. Znajdują one zastosowane kiedy poziom zniszczenia tkanki jest tak duży, że nie będzie ona w stanie odtworzyć swoich pierwotnych właściwości. Są one wykorzystywane w chirurgii rekonstrukcyjnej oraz plastycznej, tworzenia części lub całych zamienników organów, protez, soczewek itp. Do tego typu należą np. rozruszniki serca wykorzystujące biostabilne poliuretany eterowe. Niepożądana biodegradacja takiego biomateriału może skutkować ostrym stanem zapalnym, uszkodzeniem implantu i drastycznym spadkiem jego funkcjonalności mogącym prowadzić nawet do śmierci jego właściciela [1,6]. Jednak w niektórych przypadkach kontrolowana i przewidywalna biodegradacja implantu jest cechą pożądaną. Niezależnie od rodzaju implant powinien przyspieszać proces leczenia, wspierać procesy regeneracyjne, być niewrażliwy na korodujące środowisko organizmu i minimalizować ryzyko zakażenia bakteryjnego [6].

Biomateriały biodegradowalne mają za zadanie ustabilizować tkankę, aż do czasu, kiedy organizm wystarczająco się zregeneruje. Rozpad biomateriału może być tak wymodelowany, że niekiedy zachodzi z uwolnieniem z niego związków aktywnych biologicznie. Może to być np. antybiotyk albo związek wzmagający tempo procesów naprawczych [6]; np. poliuretany posiadające w swojej cząsteczce kwas askorbinowy wspierają różnicowanie się osteoblastów czyli komórek kościotwórczych [12]. Wszystkie produkty rozpadu biomateriału biodegradowalnego, powinny być całkowicie nietoksyczne. Mimo braku toksyczności zbyt intensywne pojawianie się ich w środowisku implantu może prowadzić do ostrych stanów zapalnych [6]. Ogólny mechanizm biodegradacji biomateriałów, który obowiązuje również w przypadku poliuretanów przedstawia się następująco:


Rys. 2. Schemat rozkładu biomateriału w czasie [6].

Biodegradacja rozpoczyna się od adsorpcji, a następnie penetracji, związków biodegradujących do biomateriału. To jakie związki są zdolne do prowadzenia tego procesu zależy od cech biomateriału. Do tych związków zaliczają się m.in.: enzymy, woda, sole i nadtlenek wodoru. Kolejny etap polega na cięciu podatnych wiązań kowalencyjnych. Sprawia to, że masa cząsteczkowa ulega obniżeniu. Proces ten jest wielokrotnie powtarzany powodując, że wytrzymałość biomateriału zmniejsza się. Kiedy jego fragmenty są wystarczająco małe dyfundują do środowiska, w jakim zostały umieszczone. Skutkując spadkiem ciężaru [1,6]. Prawidłowe tempo tych przemian jest ważne. Zbyt szybka degradacja może prowadzić do pogorszenia lub utraty funkcjonalności implantu [6].

Do mechanizmów biodegradacji PU zalicza się degradacje enzymatyczną, procesy oksydacyjne oraz hydrolizę. Degradacja enzymatyczna jest bardziej specyficzna niż hydroliza, a także mniej wydajna. Aby enzymy były zdolne do biodegradacji poliuretanu niezbędne jest wprowadzenie do jego cząsteczki rozpoznawalnych przez enzymy fragmentów np. sekwencji aminokwasów. W mechanizmie tym wykorzystuje się enzymy o różnej specyficzności substratowej np.: kolagenazę, chymotrypsynę, fibrynolizynę. Procesy oksydacyjne na chwilę obecną nie znajdują zastosowania ze względu na problem ich kontroli. Obecnie na ile to możliwe są one celowo ograniczane, nawet w przypadku poliuretanów biodegradowalnych. Hydroliza poliuretanów biodegradowalnych opiera się na mechanizmach wprowadzania cząsteczek wody tam gdzie występują grupy funkcyjne np. eterowe, uretanowe, mocznikowe. Niekiedy proces ten nazywany jest odwróconą kondensacją [1].

Najmniej skomplikowane poliuretany zbudowane są na podstawie izocyjanianów oraz polioli, których proporcje wpływają na końcowe cechy poliuretanu jako biomateriału. W swoim składzie zawierają również katalizatory oraz środki sieciujące i wydłużające łańcuch oraz wiele innych związków [1]. PU mają budowę segmentową (rysunek 3). Izocyjaniany, czyli pochodne kwasu izocyjanowego (H-N=C=O) budują segment sztywny. Zawierają ugrupowanie uretanowe (-N=C=O).


Rys. 3. Schemat ustrukturyzowania przestrzennego poliuretanów [1].

Poliole czyli alkohole polihydroksylowe posiadają w strukturze swoich cząsteczek minimum dwa ugrupowania -OH. Związki te budują segmenty giętkie PU. Mają szereg cech sprawiających, że znajdują zastosowanie w syntezie PU do zadań medycznych. Są biokompatybilne, wytrzymałe, odporne na ścieranie, stabilne w środowisku jakie tworzy organizm. Wiedza na temat różnic między segmentami giętkimi i sztywnymi poliuretanów umożliwia kontrolę nad procesami biodegradacyjnymi. Poli(ε-kaprolakton), kwas poliglikolowy, kwas polimlekowy oraz ich kopolimery są najczęściej wykorzystywane w syntezie poliuretanów biodegradowalnych znajdujących zastosowanie w medycynie.

Zastosowania takie obejmują np. rekonstrukcję tkanek, produkcję rusztowań komórkowych, a nawet wytwarzanie opatrunków. Rusztowania komórkowe (skafoldy, ang. scaffolds) służą m.in.: do uzupełniania kości uszkodzonych poprzez złamanie, zmiany nowotworowe lub wynikające z osteoporozy. Obecne w implantach pory łączą się ze sobą tworząc sieć o niezdefiniowanym kształcie umożliwiając odżywianie kości, odprowadzanie zbędnych metabolitów, oraz podziały komórek i regeneracje tkanki. Zbyt małe pory uniemożliwiają efektywną penetrację implantu komórkami organizmu, a zbyt duże mają negatywny wpływ na właściwości mechaniczne. Ich wielkość zazwyczaj oscyluje w przedziale 15-300 nm. Wyzwaniem w tworzeniu takiego implantu jest zmanipulowanie parametrów biodegradacji, w tym ustalenia wielkości i gęstości porów, w taki sposób aby były one skorelowane z odtwarzaniem uszkodzonej kości [7].

Implanty wykonane z poliuretanu mocznikowego na bazie polikaprolaktonu (Artelon®) są stosowane w medycynie m.in.: do rekonstrukcji ścięgien rzepki, piszczelowych czy Achillesa, więzadeł sprężystych czy nawet stawów kolanowych [8]. Natomiast prace do poszerzenia tego zastosowania na inne organy ciągle są w toku i sugerują, że potencjał tych biomateriałów jest w pełni niewykorzystany. W badaniach z 2007 roku przeprowadzonych przez M. Siepe i współpracowników przeżyło osiem z ośmiu szczurów, które przeszły zawał serca i którym został wprowadzony wspomniany wyżej implant. Tym samym został osiągnięty stuprocentowy próg przeżywalności [9].


Rys. 4. Serce szczura z implantem wszczepionym po zawale. Zdjęcie wykonane cztery tygodnie po operacji. Naczynia krwionośne przerastają implant dowodząc, że uczestniczy on w odbudowie mięśnia. Strzałka wskazuje na takie naczynie [9].

Poliuretany biodegradowalne znajdują także zastosowanie jako materiały opatrunkowe. Cechują się one zdolnością do jednokierunkowego przepuszczania gazów co chroni uszkodzoną tkankę przed zanieczyszczeniami pochodzącymi ze środowiska jednocześnie umożliwiając oddychanie. Ponadto PU wpływają pozytywnie na proces tworzenia matrycy fibrynowej. Fibryna w momencie kiedy krew krzepnie tworzy trójwymiarową strukturę. Do niej przyłączane są komórki i związki, których celem jest odbudowa uszkodzonej tkanki [1]. Mimo, że poliuretany już znajdują zastosowanie w materiałach opatrunkowych to nadal (w zmodyfikowanych wariantach) są one badane. Modyfikacje obejmują m.in.: połączenie PU z antybakteryjnymi lipidami, triacyloglicerolami, żelatyną, jonami srebra, węglem aktywnym [1,15].


Rys. 5. Upływający czas skutkuje zmianą struktury poliuretanu (PUR) i odbudową tkanki [10].

Od ponad 50 lat poliuretany są najpopularniejszym trendem badawczym w obszarze biomateriałów, ze względu na wyjątkowe możliwości modulowania właściwości przy jednoczesnym zachowaniu biokompatybilności [11]. Wzrost zróżnicowania i jakości biomateriałów, ma potencjał do przyczynienia się do zmniejszenia ilości transplantacji na korzyść naprawy zdegenerowanych tkanek i organów. Możliwe, że w przyszłości wprowadzanie implantów będzie nastawione na pokonywanie barier osobniczych. Zamiast biomateriałów o cechach maksymalnie zbliżonych do ludzkich tkanek, poszukiwane będą biomateriały, które je przewyższą [5]. Obecnie przyszłość z super mocami pozostaje w sferze teorii, ale kto wie jak długo?

Bibliografia
1. Szycher M.: Szycher’s handbook of polyurethanes. Second edition. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2013
2. Vert M., Doi Y. i inni: Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommentarions 2012), Pure and Applied Chemistry, vol. 84, nr. 2, s.377 - 410, 2012.
3. Pasqualini E., Pasqualini M.E.: The history of implantology, Arisedue, 2009
4. Ridkinson-Mann S.: Cranial Surgery in Ancient Peru, Historical article, vol. 23, nr. 2, 1988
5. Świeczko-Żurek B.: Biomateriały, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2009
6. Świeczko-Żurek B., i inni: Biomateriały - Inżynieria biomedyczna, Skrypt do przedmiotu, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2011
7. Zhang J., i inni: A biodegradable polyurethane-ascorbic acid scaffold for bone tissue engineering, Journal of Biomedical Materials Reseach, nr. 67A, s. 389 - 400, 2003
8. https://www.artelon.com/ dostęp z dnia 20.02.2019
9. Siepe M., i inni: Construction of Skeletal Myoblast-Based Polyurethane Scaffolds for Myocardial Repair, Artificial Organs, nr. 31, s.425-433, 2007
10. Rottmar M., i inni: In vitro investigations of a novel wound dressing concept based on biodegradable polyurethane, Science and Technology of Advanced Materials, nr. 16. 2015
11. Shi R. i inni: Recent Advances in Synthetic Bioelastomers, International Journal of Molecular Sciences, nr. 10, s. 4223 - 4256, 2009


Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

113 anonymous users oraz 0 registered users online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 

Dla pasjonatów

Koszulki, bluzy, kubki, plecaki i in.


Oferty pracy

Facebook

Na skróty

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Narodowe Centrum Nauki Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Ośrodek Przetwarzania Informacji PAP - Nauka w Polsce Forum Akademickie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej Wirtualna Biblioteka Nauki Scopus NCBI PubMed Nature Science Cell

 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u