Биосовместимые имплантанты на основе линейно

Биосовместимые имплантанты на основе линейно-цепочечного углерода
А.В.Смирнов
В настоящее время вопросами создания идеального биосовместимого материала для
многофункциональных медицинских имплантов занимаются многие лаборатории мира.
Однако существующие методики и материалы не позволяют получать абсолютно
биосовместимого и неразрушающего полимерного материала. В данной статье дано
сообщение о получении пленочного материала на основе линейной фазы углероды,
обладающего уникальными физическими и химическими свойствами.
Очень важной проблемой хирургического вмешательства в здоровье человека
является контактное взаимодействие материалов инструментария и имплантантов с
организмом. Поскольку современное применение имплантатов широко и различно, трудно
составить единый список требований к ним, не выделяя какие-либо особенности для
каждого конкретного случая, но все же эти требования можно разделить на три группы:
1.
Совместимость материала и окружающей среды, в которой он должен
функционировать.
2.
Неизменность механических и физических свойств, необходимых для
выполнения определенных функций.
3.
Относительная простота производства и наличие доступных компонентов.
При отборе биомедицинских материалов наиболее важной является проблема
биологической совместимости, которая охватывает как влияние биологической среды на
материал, так и воздействие материала на окружающие ткани.
Можно выделить следующее: материал не должен:
а) вызывать нежелательные, клинически проявляющиеся изменения в органах и
тканях организма;
б) подвергаться значительным механическим или химическим изменениям за время
имплантации;
в) подвергаться разрушению, при котором продукты износа, внедряясь в
окружающие ткани, могут вызывать местные или общие изменения.
Какова бы ни была функция имплантата и необходимая длительность его
функционирования, желательно, чтобы его характеристики оставались стабильными в
течение всего периода пребывания в организме, т.е. любое относительное движение
между имплантатом и окружающими тканями, исключая движения, необходимые для
выполнения предназначенных ему функций, должно быть исключено.
В настоящее время абсолютно биосовместимого и неразрушающего полимерного
материала
не
существует.
Основные
группы
полимеров,
использующиеся
для
имплантации, не лишены в этом отношении множества недостатков. Полиамиды,
полиэфиры, полиолефины, эластомеры в организме при длительных сроках имплантации
не сохраняют свою структуру и физические свойства. Учитывая даже то, что продукты
деструкции специально синтезированных для медицинских целей полимеров не вызывают
каких-либо осложнений в организме, ухудшение их физических свойств диктует
необходимость поиска способа их сохранения при длительной имплантации. Таким
образом, очевидна необходимость поиска такого способа защиты имплантатов, который
сохранял бы их положительные свойства (структуру, вес, колебательную способность) в
течение длительного времени, и в то же время обеспечил бы стопроцентную их
стерильность и абсолютную биологическую инертность.
В основе любой органической молекулы лежит цепочка углеродных атомов, поэтому
углеродные материалы инертны по отношению к организму человека. Особая роль по
биосовместимости принадлежит аллотропной форме углерода в так называемой Sp1гибридизации (двумя другими широко известными и изученными формами углерода
являются графит и алмаз). Абсолютная биологическая совместимость углерода с Sp1гибридизацией атомов предсказана Rouf R. et Williams D. еще в 1975 году. Они
предположили, что углерод с отсутствующими свободными ковалентными связями не
будет оказывать химического и физического влияния на живые ткани
и не будет
вызывать клеточных реакций на инородное тело.
Карбин,
одна
из
аллотропных
линейно-цепочечных
форм
углерода
Sp1-
гибридизацией (ЛЦУ), впервые синтезирован в 1959 году, обнаружен в природе в 1968
году. Уникальная электронная структура карбина, показанная на рис.1, обусловлена Sp1типом связи атомов углерода в цепочке (одиночная - и двойная -связи) и предполагает
множество интересных физических и химических свойств, в том числе и медицинских.
Рис.1. Фрагмент участка молекулы ЛЦУ
Итогом многолетней работы сотрудников МГУ и их межвузовской (МГУ-Чув.ГУ)
лаборатории высоких технологий стало создание низкотемпературной технологии
получения линейно-цепочечного углерода в Sp1- состоянии (ЛЦУ) в виде пленки
практически на любой поверхности. Плотноупакованная структура sp1-цепочек углерода
состоит из параллельных цепочек и является прекрасной командной поверхностью для
ориентированного осаждения на ней молекул белков и липидов поскольку расстояние
между цепочками, равное всего 5 ангстремам (к сведению 1 ангстрем составляет всего
10−10 метра) совпадает с межмолекулярными расстояниями у большинства органических
молекул, причем имеется уникальное различие в проводимости вдоль и поперек
углеродных цепочек, отличающиеся примерно на 5 порядков.
Другими словами, она
задает первичную ориентацию биологических молекул в живых организмах, что весьма
важно для обеспечения идеальной биосовместимости. Кроме того, ориентированные слои
sp1 -углерода способны менять параметр решетки, т.е. являются лабильными, пропускают
ионы и молекулы жидкостей, действуя как молекулярный фильтр. Последнее свойство
объясняется слабым Ван-дер-Ваальсовским межмолекулярным взаимодействием цепочек
между собой, что делает возможным их раздвигание при взаимодействии с молекулами и
ионами.
Это свойство еще больше роднит данную фазу углерода с живым организмом, в
котором Ван-дер-Ваальсовское взаимодействие наряду с водородными связями является
основой их строения.
Важнейшим
преимуществом
sp1-углерода
по
сравнению
с
углеродными
материалами на основе sp2-гибридизации является отсутствие у него канцерогенности.
Дело в том, что малые кластеры sp2-углерода относятся к ряду ароматических
углеводородов и обладают сильным канцерогенным действием. Так например альфабензопирен, состоящий из пяти бензольных колец, является сильнейшим канцерогеном.
Причина этого заключается в том, что он идеально встраивается в молекулу ДНК, меняя
ее генетический код. В свою очередь альфабензопирен
с большой вероятностью
образуется в живом организме при имплантации в него материала на основе sp2-углерода
(графитовые материалы) посредством механизмов метаболизма, в котором к sp2-углероду
могут присоединяться группы -OH.
Биомедицинские эксперименты с использованием ЛЦУ показали отсутствие
денатурирования белков на его поверхности и исключительно низкий потенциал
свертывания крови, рис.2.
Рис. 2. – Сворачиваемость крови на поверхностях различных материалов
Видно, что покрытие поверхности «Тетракарбоном» придает ей исключительную
тромборезистетность (превосходит полистерин) и позволяет улучшить биосовместимость
медицинских имплантантов и устройств, уменьшает риск образования тромбов,
отторжения имплантанта и развития воспаления. Проведены различные испытания в
медицинских организациях:
Институт хирургии им.А.В.Вишневского. Директор, профессор О.А.Крастин
Комитет по новой медицинской технике. Председатель профессор О.Б.Лоран
Государственный центр перевязочных, шовных и полимерных
материалов в хирургии Академик РАМН А.А.Адамян
Головной совет «Здравоохранениеи экология человека» Академик Н.А.Агаджанян
Кардиологический Научно-производственный комплекс МЗ РФ
Исследование проводили А.В.Похилко, С.П.Домогатский
Научный центр сердечно-сосудистой хирургии им.А.Н.Бакулева Доктор мед.наук
Д.В.Бритиков
Клинические исследования пленок ЛЦУ в практической медицине в Чебоксарах
показали блестящие результаты. Дальнейшая модификация имплантантов основана на
улудшении биосовместимости и расширении функциональных возможностей за счет
технологии внедрения в углеродные пленки серебра, азота и серы.