Полимеры в медицине

Основные статьи:

• Полимеры
• Инновации в медицине

2023

*Российские ученые нашли оптимальный способ получения полимера с эффектом памяти формы

Сотрудники центра биомедицинской инженерии Университета МИСИС провели серию экспериментов, чтобы определить, каким способом лучше производить полимерный материал с эффектом памяти формы (ЭПФ). По результатам исследований, полимер, полученный методом экструзии (вытягивания), быстрее возвращается к исходному виду, чем образец, произведенный литьём из раствора. Подобные материалы оптимальны для создания стентов для сосудов, самоустанавливающихся и самофиксирующихся костных имплантатов, а также адаптивных медицинских изделий (зажимы, скобы, клипсы и др.), сообщили представители МИСИС 7 ноября 2023 года Zdrav.Expert.

Материалы с эффектом памяти формы

«В отличие от металлических сплавов с эффектом памяти формы, полимеры с ЭПФ обладают рядом преимуществ: они дешевле, способны к биорезорбции, имеют значительно больший процент деформации и реагируют на разнообразные стимулы, их свойствами легче управлять», – сказала Полина Ковалёва, инженер центра Биомедицинской инженерии Университета МИСИС.

Как пояснили ученые, эффект памяти формы в полимерах обусловлен их уникальной надмолекулярной структурой. Молекулярные цепи полимера с ЭПФ содержат мягкие и жесткие сегменты. При комнатной температуре все части молекулярной цепи находятся в стеклообразном состоянии, что позволяет сохранить первоначальную форму и фиксировать временную. При нагревании выше определенной температуры мягкие сегменты переходят в вязкотекучее состояние, что позволяет легко деформировать материал в любую другую форму. После охлаждения и снятия нагрузки мягкие сегменты возвращаются в стеклообразное состояние и сохраняют энергию деформации, позволяя зафиксировать временную форму; при повторном нагревании мягкие сегменты высвобождают запасенную энергию, и зафиксированная временная форма восстанавливается до первоначальной.Дмитрий Бородачев, DатаРу Облако: Наше преимущество — мультивендорная модель предоставления облачных услуг

При рассмотрении нескольких способов формирования полимерных материалов с различной надмолекулярной структурой и кристалличностью, учёные определили, что экструзия способствует образованию аморфной структуры, так как при такой скорости охлаждения кристаллические области не успевают образоваться. Метод литья из раствора, наоборот, предполагает медленное выпаривание растворителя и контакт с подложкой, что способствует образованию кристаллической структуры.

Анна Зимина и Полина Ковалёва, инженеры центра Биомедицинской инженерии Университета МИСИС

«Лучший результат по восстановлению первоначальной формы продемонстрировал материал на основе полилактида с преобладающей аморфной структурой, в то время как полукристаллический образец теряет свою способность фиксировать и восстанавливать форму, – отметила соавтор исследования Анна Зимина, инженер центра Биомедицинской инженерии Университета МИСИС.

Дальнейшее изучение специалисты намерены посвятить поиску оптимальных дисперсных наполнителей, добавление которых в состав полимера позволит улучшить процесс и степень возвращения материала к первоначальной форме, а также даст возможности для удаленной активации эффекта.

Как сообщила Алевтина Черникова, ректор НИТУ МИСИС, в сентябре 2023 года в НИТУ МИСИС создан Институт биомедицинской инженерии, одна из основных задач которого – разработка и коммерциализация новых продуктов, способных значительно улучшить качество жизни людей.

«Ученые Университета МИСИС на протяжении ряда лет ведут разработки в области тканевой инженерии, биофизики, биопечати, новых технологий и материалов для медицины. В рамках программы «Приоритет 2030» в вузе реализуется стратегический проект «Биомедицинские материалы и биоинженерия», сформирован консорциум «Инженерия здоровья», в составе которого – ведущие университеты, научно-исследовательские центры, инновационные предприятия», – добавила Алевтина Черникова.

По информации МИСИС, исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (№ 21-73-205). Исследование надмолекулярной структуры выполнено в центре коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения» Сколтеха; сканирующая зондовая микроскопия проведена на оборудовании научно-исследовательского ЦКП «Материаловедение и металлургия» НИТУ МИСИС при финансовой поддержке Минобрнауки России (соглашение № 075-15-2021-696).

В «Курчатовском институте» создали индивидуальные полимерные имплантаты

13 июля 2023 года представители Курчатовского института сообщили о создании индивидуальных полимерных имплантатов для позвоночника.

Как сообщалось, спинальный кейдж – конструкция, которую в ходе операции на позвоночнике устанавливают на место разрушенного межпозвонкового диска для сращения соседних позвонков, поврежденных в результате травм или заболеваний. На июль 2023 года для создания таких конструкций используются неразлагаемые материалы, которые остаются внутри организма навсегда, и потенциально могут быть причиной осложнений. Ученые НИЦ "Курчатовский институт" создали биодеградируемый кейдж, который крепко соединяет позвонки, а после их сращения, в заданные сроки, заменяется костной тканью пациента.

Подробнее здесь.

Российские ученые создали нановолокно из полимеров для антисептических раневых повязок

Ученые из Университета МИСИС и Сколковского института науки и технологий создали волокно для антисептических раневых повязок, которое позволит избежать осложнений у пациентов в послеоперационный период. Об этом 31 мая 2023 года Zdrav.Expert сообщили представители МИСИС. По их словам, сверхтонкие нити были получены из различных полимеров методом электропрядения. Подробнее здесь.

В России напечатали первый «тканевой пистолет», сшивающий раны биополимерами

В Университете МИСиС представили первый в России «тканевой пистолет», который может останавливать кровотечения и запускать регенеративные процессы при ранениях легкой и средней степени тяжести. Об этом 5 апреля 2023 года Zdrav.Expert сообщили представители НИТУ МИСиС. Подробнее здесь.

«Перед работой два стандартных шприца объемом 20 мл заправляются биополимерами и медицинскими препаратами. Через специальный порт подсоединяется третий шприц и выполняется заправка устройства сшивающим агентом, далее заправляющий шприц отключается. При нажатии на курок ультразвуковая система одномоментно собирает все компоненты в области печати, тем самым формируя полимерный сшитый биоматериал, способный останавливать кровотечение и ускорять регенерацию ткани», – пояснил автор разработки Тимур Айдемир, к.т.н., инженер НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСиС.

Ученые предложили наполнитель с улучшенными антибактериальными свойствами для полимерных костных «3D-каркасов»

Международный коллектив ученых с участием исследователей НИТУ МИСИС предложил альтернативный наполнитель костных «3D-каркасов» на основе силиката кальция. Материал препятствует образованию биопленки бактерий на поверхности каркаса и в перспективе может применяться для имплантатов малонагруженных костей, например, черепа. Исследование поддержано грантом РНФ. Результаты работы опубликованы в научном журнале Polymer. Об этом 25 января 2023 года сообщили представители НИТУ МИСИС. Подробнее здесь.

2022: Российские ученые создали материал на основе биополимеров для «выращивания» органов и тканей

Ученые НИТУ МИСиС совместно с коллегами из Томского политехнического университета предложили способ модификации биополимеров для тканевой инженерии. Об этом 9 декабря 2022 года медтех-порталу Zdrav.Expert сообщили представители МИСиС. По словам ученых, добавление в материал небольшого количества частиц восстановленного оксида графена способствует улучшению механических свойств и эффекта памяти формы. В будущем такой материал может использоваться для регенерации мягких тканей, например для нервной ткани и кожных покровов. Подробнее здесь.

2021: Российские физики предложили материал для разработки самоустанавливающихся имплантатов

Усовершенствовать основной медицинский материал с эффектом памяти формы смогли специалисты Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» совместно с другими российскими учеными. Об этом университет сообщил Zdrav.Expert 14 сентября 2021 года. По словам авторов, их разработка сильно облегчит работу хирургов и повысит качество терапии. Исследование опубликовано в журнале Polymers.

Российские физики предложили материал для разработки самоустанавливающихся имплантатов

Полилактид — полимер, применяемый в хирургии для фиксации швов и других вспомогательных задач. Для него свойственны высокая биосовместимость и полная биоразлагаемость, так как он состоит из молекул молочной кислоты, играющей важную роль в обмене веществ. Производят его из дешевого растительного сырья с высоким содержанием сахаров.

Полилактид отличается ярко выраженным эффектом памяти формы (ЭПФ): после деформации он способен быстро принимать первоначальное состояние. Благодаря этому полимер, по словам ученых НИТУ «МИСиС», оптимально подходит для разработки самоустанавливающихся имплантатов. Их применяют для лечения дефектов в костях, не несущих опорную нагрузку.

Использование таких имплантатов позволит избежать трудоемкой подгонки к травмированному участку, что сильно облегчит работу хирурга и уменьшит время операции, объяснили ученые. Изделие требуемой формы можно сжать до удобных размеров и, поместив на место дефекта, нагреть — за счет ЭПФ имплантат сам примет нужное положение.

Полилактид, по словам ученых, обладает лишь одним заметным недостатком. Температура, при которой активируется эффект памяти формы (55-65 °C), слишком высока для работы с тканями человека. Специалисты НИТУ МИСиС разработали другой полимерный композит на основе полилактида, принимающий старую форму уже при температуре в 45 °C, что вполне допустимо при кратковременном воздействии на организм.

Исследования самоустанавливающихся имплантатов проводят преимущественно на инертных полимерах, добиваясь нужной температуры активации ЭПФ за счёт химической сшивки полимеров и внесения дополнительных компонентов. Особенность нашей работы в том, что мы использовали только биосовместимые биоразлагаемые полимеры, добившись снижения температуры за счёт простых физических механизмов. Это обеспечивает снижение не только температуры, но и энергии активации, объяснила инженер научного проекта НИТУ «МИСиС» Полина Жукова.

Разработанный материал представляет собой матрицу полилактида со сферическими включениями другого полимера, поликапролактона. Получают материал методом экструзии, то есть механическим перемешиванием в горячей камере. Специалисты НИТУ "МИСиС" полностью описали параметры ЭПФ, тепловые и механические характеристики данного композита.

В работе приняли участие ученые Российского государственного университета им. А. Н. Косыгина. В дальнейшем научный коллектив планирует повысить регенеративные способности материала за счёт добавок особой биоактивной керамики, а также разработать нетемпературные методы активации эффекта памяти формы.

2020

Ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева научились синтезировать проводящий полимер полианилин локально на поверхности частиц силикагеля

21 октября 2020 года стало известно о том, что ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева вместе с российскими и греческими коллегами научились синтезировать проводящий полимер полианилин локально на поверхности частиц силикагеля. Исследователи планируют использовать данный материал для создания носителей фарм-препаратов, а также отработать метод на примере других полимеров и подложек. Статья опубликована в августовском номере журнала Polymer.

Как пояснялось, полианилин — это один из полимеров молекулярной электроники. Из него можно изготавливать транзисторы, конденсаторы, покрытия для электростимуляции роста биологических тканей и другие устройства, а также он перспективен для адресной доставки лекарств и терапии онкозаболеваний. Однако работать с полианинилином не просто. Он плохо растворим в большинстве растворителей, не плавок и в чистом виде это порошок, из которого сложно изготовить нужное изделие.

Оптимальный выход — это нанесение полианилина на подложки. Так, с помощью электрополимеризации полианилиновые покрытия можно получить на поверхности электропроводящих материалов, но в случае непроводящих подложек этот метод недоступен. Вместо этого проводят химическую полимеризацию: непроводящую подложку вносят в раствор мономера анилина и добавляют туда окислитель. Постепенно на поверхности образуется пленка полимера, но параллельно с этим в объеме раствора также появляются нерастворимые полимерные гранулы, которые оседают на подложку, затрудняя контроль свойств и морфологии покрытия. Покрытие становится неоднородным и в нем появляются дефекты, что негативно влияет на его свойства. В данном исследовании использовали другой подход.

Мы локализовали реакционную зону непосредственно на поверхности подложки и провели на ней полимеризацию. Для этого мы взяли частицы силикагеля, осадили на них нерастворимый окислитель, а дальше привели их в контакт с раствором анилина: на поверхности частиц пошла полимеризация, а в объеме, где не было окислителя, процесс был подавлен. И так был разработан метод, перспективный для адресного формирования полианилиновых слоев и контроля их свойств. рассказал Ярослав Межуев, один из авторов работы, профессор РХТУ

Изображения поверхности, полученные на сканирующем электронном микроскопе. А –силикагель; B — силикагель с осажденным MnO2; С — силикагель с нанесенным полианилином. Изображение предоставлено РХТУ им. Д.И. Менделеева.

В дополнительных экспериментах ученые изучили процесс в деталях. Так, с помощью метода электронного парамагнитного резонанса отслеживалась кинетика протекающих реакций, и было доказано, что полимеризация идет только на границе раздела твердого носителя (силикагеля) и жидкого раствора мономера. Кроме того, предполагается, что процесс протекает преимущественно в порах носителя маленького размера.

Теперь исследователи хотят распространить данный подход на нанообъекты и испытать частицы покрытые полианилином в качестве носителей фармакологических препаратов: молекула полианилина электрически заряжена и поэтому на нее достаточно легко иммобилизовать различные вещества.

Вообще предложенный подход гораздо шире и, видимо, принципиально не ограничен использованными подложкой, мономером и окислителем. Не обязательно синтезировать полианилин — можно получать другой проводящий или непроводящий полимер по реакции окислительной полимеризации, не принципиально. Не обязательно брать именно силикагель — таким же образом можно модифицировать любую другую подложку, главное только чтобы она была инертна по отношению к нерастворимому окислителю, который в свою очередь должен быть достаточно активен в реакции полимеризации выбранного мономера. То есть этот метод проведения окислительной полимеризации на границе раздела фаз твердое вещество — жидкость, видимо, универсален. дополнил Ярослав Межуев, один из авторов работы, профессор РХТУ

Российские ученые разработали аэрогели, останавливающие кровотечения за несколько минут, и испытали их на свиньях

24 сентября 2020 года стало известно о том, что ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева разработали аэрогели на основе биополимера хитозана для быстрой остановки массивных кровотечений. Это пористые частицы, которые можно локально вводить в раны: они разбухают, впитывая эритроциты и другие компоненты крови, и в результате образуется плотный кровяной сгусток. Совместно с коллегами из СПХФУ Минздрава России ученые провели испытания на лабораторных животных (свиньях), которые показали, что частицы аэрогелей останавливают кровотечение за 2-3 минуты, и не обладают характерными недостатками или побочными действиями прямых аналогов, представленных на рынке. Статья об исследовании опубликована в сентябре в журнале Polymers. Подробнее здесь.

Команда студентов МИСиС представила проект по разработке саморастворяющегося материала для костной имплантации

23 июля 2020 года стало известно о том, что команда студентов НИТУ «МИСиС» представила проект по разработке саморастворяющегося материала для костной имплантации. Комбинация свойств различных полимеров в сочетании с минеральной добавкой позволит создавать имплантаты, принимающих на себя нагрузку и позволяющих активно расти собственной кости пациента. Выполнив свою функцию, материалы будут постепенно и без побочных эффектов растворяться в организме.

Команда студентов НИТУ «МИСиС» представила проект по разработке саморастворяющегося материала для костной имплантации

Как сообщалось, на июль 2020 года для замещения костных дефектов используется три типа материалов: металлы, керамика и полимеры. При этом металлы склонны принимать на себя слишком много нагрузки, что ведет к охрупчиванию кости, а керамика сама по себе довольно хрупкая и дорогая. Полимеры – оптимальный вариант: они ближе всего к натуральной кости по твердости и прочностным характеристикам. Кроме того, их структуру можно модифицировать – например, формировать поры, как в средней части настоящей кости.

Команда студентов НИТУ «МИСиС» представила проект по разработке саморастворяющегося материала для костной имплантации

Однако любое инородное тело, даже биосовместимый полимер, в любом случае остается инородным для человеческого организма. В случае небольших костных дефектов наиболее подходящим был бы имплантат, постепенно растворяющийся и уступающий место растущей кости – по аналогии с саморассасывающимися шовными материалами. Разработкой именно таких материалов для имплантатов – полимерных и биорезорбируемых – занимается команда студентов НИТУ «МИСиС».

За основу молодые ученые взяли два полимера из группы полигидроксиалкоанатов – полигидроксибутират (ПГБ) и полигидроксивалерат (ПГВ). Эти материалы выращивают с использованием бактерий, и еще несколько лет назад такое производство было крайне дорогостоящим. На июль 2020 года технологии усовершенствовались, материалы подешевели, и они стали расцениваться как перспективные для имплантации.

Команда студентов НИТУ «МИСиС» представила проект по разработке саморастворяющегося материала для костной имплантации

Совместив достоинства ПГБ и ПГВ, исследователи планируют получить необходимый полимер. ПГБ прочный, твердый, но довольно хрупкий, то есть он выдерживает высокие давления, его трудно поцарапать, но при этом легко сломать пополам. ПГВ эластичный, но непрочный, не выдерживает длительные высокие нагрузки.

Наша задача – провести некую селекцию свойств обоих полимеров. Мы подготавливаем смеси порошков различного состава, изготавливаем образцы методом термопрессования и 3D-печати, и затем измеряем важные для нас характеристик. один из разработчиков, студент 2-го курса программы iPhD «Биоматериаловедение» и сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС»

Для имитации структуры кости в смесь добавляется сферическая пищевая соль – ее кристаллы практически идентичны по размеру костным порам. Затем соль без труда удаляется вымачиванием.

Последний, но не менее важный компонент – гидроксиапатит – минерал, из которого на 50-70% состоит натуральная кость. Этот минерал также добавляется в смесь порошков – чтобы остеобласты (костные клетки) «чувствовали» себя комфортнее и быстрее размножались внутри имплантата.

Таким образом, команда создаст образцы биосовместимых полимерных костных имплантатов, которые будут растворяться со временем, уступая место натуральной кости.

Новые технологии в здравоохранении

Смотрите также

• Кремний в медицине