Введение к работе
Актуальность работы,
В связи со спецификой использования синтетических полимерных материалов (СПМ) в медицине и в различных областях общей и специальной техники становится актуальным вопрос о создании самой дисциплины био- и биомедицинского материаловедения, изучающей проблемы взаимодействия СПМ с различными средами биологической природы (среда живого организма, различные классы микроорганизмов и их метаболиты) - биофакторами.
Биодеструкция, протекающая под действием биофакторов, представляет собой сложный физико-химический и медико-биологический процесс, включающий диффузию биологической среды в полимерный материал с последующими реакциями превращения химически нестойких связей, изменениями основных эксплуатационных или функциональных свойств и их влияния на "физиологическое" состояние организма или окружающей среды.
Актуальность задачи объясняется также тем, что- вопрос эндогенного (среда живого организма) и экзогенного (микроорганизм-полимер) действия биофакторов обычно принято рассматривать раздельно и при накопленном экспериментальном материале не имеется общего подхода из-за недостаточности количественных критериев.
Остается открытым вопрос, специфичны или нет биофакторы, можно ли их сводить к известным химическим типам деструкции; какие процессы протекают на границе контакта полимер-микроорганизм или биологическая среда?
Поэтому знание механизма процесса биодеструкции или относительной биостойкости полимеров в агрессивных или инертных биологических средах должно позволить прогнозировать предполагаемые изменения физико-химических и функциональных параметров, а также находить способы увеличения необходимого "времени жизни" полимера в соответствующей среде.
Решение указанных вопросов должно быть несомненно актуальной задачей, представляющей как практический, так и научный интерес.
Цель работы состояла в:
—^создании фундаментальных основ механизма сложного процесса взаимодействия полимер-биологическая среда, а также в разработке методологий исследования и обоснованных рекомендаций по использованию
различных полимеров в конкретных условиях биологического воздействия и
соответствующей его биостойкости; —установлении общих закономерностей биодеструкции ряда полимеров как в
среде живого организма (эндогенные условия), так и под действием
микроорганизмов (экзогенные условия); —выявлении основных факторов, влияющих на свойства полимерных материалов.
Указанная цель предполагает проведение следующих этапов работы: —определение методологии исследования полимерных материалов в различных
условиях воздействия биологической среды; —установление закономерности деструкции различных классов полимеров
биомедицинского назначения (имплантатов) в живом организме и
моделирующих живой организм экспериментах; —определение макрокинетических параметров этого процесса; —изучение механизма взаимодействия полимерных материалов, используемых в
общей и спецтехнике, с клетками микроорганизмов на примере
микроскопических грибов; —разработка количественных методов оценки биостойкости этих материалов и
эффективности средств их защиты; —исследование адгезии микроорганизмов при различных условиях внешней среды
на полимерные материалы, выявление основных факторов, влияющих на этот
процесс и установление взаимосвязи адгезии с биодеградируемостью; —формулировка основных условий применимости полимеров в условиях действия
биофакторов и разработка соответствующих рекомендаций; —изучение влияния роли низкомолекулярных (остаточных) веществ в полимерном
имплантате на биосовместимость материала.
Научная новизна.
В диссертации решена научная проблема создания основ биоматериаловедения в результате исследования взаимодействия высокомолекулярных веществ со средой организма и модельными средами. При этом, впервые:
—проведено систематическое исследование закономерностей деструкции различных классов полимеров: полиэфиров, полиолефинов, полиуретанов
биомедицинского и технического назначения под действием агрессивной среды живых организмов эндогенного и экзогенного характера;
—сформулированы и обоснованы модельными экспериментами представления о факторах, определяющих деструкцию данного полимера, оказывающих влияние на структурные, функциональные, физико-механические свойства данного класса полимеров;
—впервые на примере биодеградируемых полиэфирных полимеров составлено уравнение, количественно описывающее процесс биодеструкции под воздействием воды, соли и ферментов;
—реализована научная концепция исследований, заключающаяся в рассмотрении биодеструкции как химического процесса, происходящего под действием известных типов гидролитических реакций (кислотный, щелочной, ферментативный) как самой среды организма, так и метаболитов;
—^расширены существующие представления о характере и причинах изменения физико-механических свойств полимеров под воздействием микроскопических грибов: впервые установлено влияние продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и изучены закономерности действия отдельных метаболитов на эксплуатационные свойства полимеров, показана возможность моделирования биоагентов с помощью органических кислот;
— теоретически и экспериментально обоснована возможность использования кинетического подхода для изучения биообрастания и биоразрушения полимерных материалов и созданию количественного метода оценки эффективности средств защиты. Изучена кинетика роста микроскопических грибов на ряде широко применяемых материалов и представлено количественное соотношение, параметры которого позволяют характеризовать стойкость полимера к биообрастанию. Разработана методика количественной оценки биоцидной активности веществ, основанная на определении параметров и констант процесса развития микроорганизмов в присутствии биоцидов;
—впервые изучены кинетические закономерности адгезии микроскопических клеток на поверхности СПМ и показана их определяющая роль в последующих процессах биообрастания и биодеструкции;
—установлены общие закономерности действия биологических сред, описываемые макрокинетическими параметрами в относительных (безразмерных)
координатах, объясняемые в конечном счете природой сложного процесса биодеструкции; —на количественном уровне показана роль остаточного мономера для оценки биосовместимости полимеров на примере полигидрогеля на основе эфиров метакриловой кислоты и этиленгликоля (поли-ГЭМА), исследован механизм деструкции в модельных средах, ex-vivo, in vivo экспериментах.
Практическая ценность работы в том, что полученные результаты полезны для дальнейшего развития теории химических превращений полимерных материалов в различных условиях воздействия среды, в том числе биологической, а также для становления предмета био- и биомедицинского материаловедения и усовершенствования технологии производства различных биоимплантатов. Количественные параметры и разработанные новые методики позволяют оценить и предупредить биоповреждаемость полимерных материалов, используемых в технике. Предложенный метод оценки биоцидной активности материалов может осуществлять целенаправленный выбор материалов и средств защиты, а также оценивать биоцидность вновь ситезируемых материалов.
Реализация работы.
Результаты работы оформлены в виде 12 авторских заявок и 1 патента. Разработанные эмболы для остановки кровотечения (серебряная медаль ВДНХ 1985 года) внедрены в медицинскую практику и применены в более чем 2000 операциях, ожоговые повязки на основе полигидрогеля - в Институте туберкулеза; маммопротезы - 50 операций; рекомендации в практику В/Ч - 2; ГОСТ.ЕЗКС -1.
Личное участие автора.
Автор защищает направление по созданию научных основ физико-химических превращений полимеров под действием биологической среды, био- и биомедицинского материаловедения.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований, включенных в диссертационную работу, получены автором лично или при его непосредственном участии. Автор определял направление исследований, выбор объектов и методов исследования, участвовал в обсуждении и интерпретации результатов, формировании выводов. Автору принадлежит решающая роль в обобщении результатов работы, научные идеи которой нашли отражение в ряде
обзоров и главах трех монографий. Автор принимал непосредственное участие, и ему принадлежит инициатива, в приложении результатов работы к конкретным системам. Участие автора в выполнении работ по теме диссертации отмечено серебряной медалью ВДНХ 1985 года.
Апробация работы.
Основные результаты работы опубликованы в научных журналах, в разделах трех монографий (всего более 50 наименований), докладывались на международных и всесоюзных симпозиумах и конференциях: Международный Коллоквиум придунайских стран по проблеме старения и стабилизации полимеров (г. Загреб, сентябрь 1975 г.; г. Дубровник, октябрь 1978 г.; г. Москва, октябрь 1982 г.); VI и VIII Всесоюзные конференции по старению и стабилизации полимеров (г. Уфа, 1983г.; г. Душанбе, 1989 г.); Международный Симпозиум по стабилизации и деструкции полимеров (г. Брюссель, 1975 г.); Научные симпозиумы V - VII "Синтетические полимеры медицинского назначения" (г. Рига, 1981; г. Белгород-Днестровский, 1983; г. Киев, 1987); II Межведомственное совещание по проблеме биостойкости неметаллических материалов (г. Абовян, 1979); Всесоюзное научно-техническое совещание "Кинетические методы биообрастания и биоповреждения полимерных материалов" (г. Батуми, 1984); Всесоюзное совещание "Биоповреждение и защита материалов" (г. Свердловск, 1985; г. Москва, 1989; г. Горький, 1991); Microsymposium "Polymers in medicine and biology" (Prague, Jule 9 - 12, 1984); International Congress "Degradation and stabilization of polymers" (Glasgow, UK, September 5 - 7, 1995); International Symposium on aging of polymers (Stara Lesna, High Tatrus, June 18 - 22, 1990); II Международная конференция "Современные подходы к разработке эффективных материалов и полимерных имплантатов" (г. Москва, 21-22 ноября 1995 г.).
