Учебно-методический комплекс дисциплины «Медико-биологические полимеры» (стр. 6 )

Лекция 7 - Принципы взаимодействия полимеров с органами и тканями

Содержание:

Биосовместимость. Реакция организма на биоматериал. Иммунная реакция и системная токсичность.

1. Главным критерием выбора полимерного материала является его биосовместимость. Это достаточная инертность материала к окружающим тканям, которая не вызывает острый или хронический воспалительный ответ, а также не препятствует пролиферации или дифференциации близлежащих к полимеру клеток и тканей. Большинство биоматериалов выполняет двоякую функцию, с одной стороны являясь инертным к одним, но с другой стороны активным к иным физиологическим процессам.

Большинство имплантируемых полимерных материалов имеют продолжительный срок службы в организме и способствуют улучшению здоровья пациента, а иногда и его выживаемости. Все биоматериалы взаимодействуют с тканью или плазмой крови на всем протяжении действия имплантата по разному, в зависимости от степени разпознавания поверхности полимера клетками и макрофагами как чужеродного образования. Поскольку взаимодействие между имплантатом и организмом носит обоюдный характер то их можно разделить на две группы: воздействие биоматериала на «хозяина» и влияние «хозяина» на биоматериал (таблица 1).

Таблица 1. Взаимодействие биоматериал - организм

Действие имплантата на организм	Действие организма на имплантат
1. Местное действие	1. Физико-механическое действие
- адсорбция белков и протеинов	- истирание и износ
- тромбоз и коагуляция крови	- усталостность
- токсичность	- стрессовое растрескивание
- капсуляция	- коррозия
- реакция на инородное тело	- растворение и биодеградация
2. Системное действие	2. Биологическое действие
- эмболизация материала	- сорбция протеинов клеток
- сверхчувствительность	- ферментативное разрушение
- иммунный ответ	- кальцификация
- гемопоэз	- фиброзис
- лимфатические воспаления

2. Введение инородного тела в организм представляет собой череду действий, связанных с нанесением пациенту хирургической травмы и последующее ее заживление. Любая подобная последовательность операций вызывает в первую очередь болезненные симптомы у пациента, связанные с хирургическим вмешательством и постоперационными явлениями, происходящими в организме. Даже самый биосовместимый имплантат вызывает первичное воспаление с последующей грануляцией ткани у места повреждения и вокруг имплантируемого материала. В зависимости от скорости грануляции имплантация вызывает фиброзис и иммунную реакцию на инородное тело (рис. 1).

Время

Рис. 1 Хронологическая последовательность процесса реакции организма

на полимерный имплантат, сопряженного с процессами кровотечения (а), реакции макрофагов (б), неоваскуляризации (в), гигантскими клетками инородного тела (г), фибробластов (д), фиброзиса (е) и мононуклеарных лейкоцитов (ж).

Через 2-5 суток после имплантации биоматериала, моноциты и макрофаги инициируют восстановление травмированной ткани. Фибробласты и васкулярно-эндотелиальные клетки после адгезии на поверхности имплантата пролиферируют и начинают образовывать гранулированную ткань вокруг биоматериала. Заключительной стадией заживления является фиброзис или фиброзная капсуляция. Восстановление места имплантации включает два различных процесса: либо замену поврежденной ткани паренхемальными клетками того же типа, либо замену соединительной тканью, которая и формируют фиброзную капсулу. При высоком восстановительном потенциале клеток и незначительных повреждениях фиброзис может не происходить.

Таким образом, при имплантации материала, несмотря на невозможность или ограниченность контроля последовательности регенерационных явлений, правильным выбором материала, прогнозируемым воспалительным ответом, адекватной вариацией стимулирующих факторов, можно восстанавливать повреждения при последующем правильном функционировании имплантируемого биоматериала.

3. Главной функцией иммунитета является защита организма от любых инородных патогенных объектов окружающих его. Функционально, это сложнейший механизм, который можно разделить на два уровня: клеточный и гуморальный. Первичными компонентами клеточной иммунной системы являются гигантские клетки инородного тела и макрофаги, будучи первичным постом защиты организма от посторонних тел. Реакция данных клеток, именуемая реакцией на инородное тело, формируется в начале образования грануляционной ткани как ответ на введение инородного объекта. В связи с несоразмерностью клеток и макрообъекта интенсивность такой реакции зависит в первую очередь от формы, топографии и качества поверхности имплантируемого материала.

Другим топографическим параметром, влияющим на первичную реакцию является соотношение между поверхностью имплантата и его объемом.

Реакция на инородное тело является ключевым звеном регенерации ткани и ранозаживления, инициирующей образование грануляционной ткани и фибриллярной оболочки. Манипулируя формой, размерами, пористостью и поверхностной шероховатостью образца можно контролировать силу реакции макрофагов на имплантат и скорость заживления постимплантационной раны.

Иммунный ответ на имплантацию биоматериала связывают с реакцией гуморальной иммунной системы и с усилением комплемента. Комплемент включает более чем 20 различных протеинов плазмы крови, служащих для неспецифического разпознавания и элиминации инородных тел из организма. Нейтрализация инородного тела осуществляется изолированием поверхности материала протеинами комплементной системы и фагоцитоз с помощью гранулоцитов. Таким образом, основная функция комплемента связана с локализацией воспалительной реакции непосредственно вокруг инородного тела. Вместе с тем, задача имплантации сводится к избежанию резкого и каскадного иммунного ответа на вводимый биоматериал.

Другой группой протеинов, участвующих в иммунной реакции, являются цитокины, специфически активные в пикомолярных концентрациях за счет специфических реакций с клеточными рецепторами. Главная функция цитокинов сводится к участию в воспроизводстве иммунных клеток, регулировании иммунного ответа и роли посредника в воспалительных процессах. Ряд цитокинов участвует в процессе гематопоэза, т. е. в создании дифференциированных клеток крови из примитивных стволовых клеток костного мозга.

Лекция 8 - Имплантанты на основе полимерных биоматериалов

Содержание:

Особенности полимерных имплантантов Имплантанты в сердечно-сосудистой хирургии. Полимерные имплантаты в травматологии и хирургии.

1. Наиболее важное значение имеет использование полимерных биоматериалов в качестве имплантатов. Под термином «имплантат» понимают некий предмет или изделие, изготовленное из небиологического материала, который вводят в организм для выполнения каких-либо функций в течение длительного времени. Основными требованиями, предъявляемым к имплантатам, являются биосовместимость и функциональность. Под биосовместимостью понимают сродство синтетического полимерного материала к биологическим тканям, процесс «взаимного привыкания» между искусственной и естественной субстанциями. Имплантаты должны обладать высокой биосовместимостью, т. е. высоким сродством к окружающим тканям организма с целью их благоприятного взаимного сосуществования. Полимерный имплантат считается биосовместимым, если он соответствует следующим критериям: не вызывает раздражения или воспаления тканей, коагуляции и гемолиза крови, разложения белков и ферментов, не обладает токсическим, канцерогенным, аллергенным, антигенным и тератогенным действиями, не оказывает воздействия на функционирование эндокринной системы организма и процессы метаболизма. Кроме того, он должен сохранять комплекс необходимых свойств в период всего срока пребывания в организме, который может составлять от нескольких часов до нескольких лет.

Самым важным аспектом применения имплантатов в медицине является их функциональная направленность. Наибольшее распространение имплантаты нашли в сердечно-сосудистой хирургии, ортопедии и травматологии, реконструктивной и пластической хирургии. Важным моментом успешного функционирования имплантатов является их характеристики, являющиеся основными свойствами используемых синтетических полимерных биоматериалов. Известно, что каждый материал имеет три характеристики: механическую, физическую и химическую. Механическая прочность и стабильность представляет особую важность для создания имплантатов суставов, костей, скелета в ортопедии и травматологии; электрические свойства необходимы для создания сердечных кардиостимуляторов и пейсмекеров; прозрачность различных полимеров важна при создании глазных имплантатов. Химические свойства и структура биоматериала, из которого сделан имплантат, являются основными параметрами, обеспечивающими приспособляемость имплантата к окружающим тканям или жидкостям организма. Только совокупность оптимальных механических, физических и химических характеристик исходных биоматериалов позволяет обеспечить стабильное выполнение всех функции имплантата в течение длительного времени.

2. Широкое применение полимерные материалы нашли в качестве кровеносных сосудов, успешно используются различные виды искусственных клапанов сердца, разработаны эффективные водители ритма сердца и внутриаортальные баллонные насосы, созданы более совершенные модели имплантируемого искусственного сердца. Искусственные кровеносные сосуды должны: 1) обладать высокой тромборезистентностью и минимальной местной реакцией тканей живого организма без какого-либо вредного воздействия на него; 2) иметь необходимую проницаемость (порозность) для живых тканей, способствующей «вживлению» протеза; 3) иметь шероховатые стенки, обеспечивающие наиболее выгодные условия для кровотока; 4) обладать стойкостью к инфекции и различным микробным воздействиям; 5) иметь необходимый комплекс физико-механических свойств. Перспективными полимерами для изготовления кровеносных сосудов являются эластомерные полиуретаны. Трубки, получаемые намоткой полиуретановых волокон обладают необходимой прочностью, эластичностью и пористостью. Протезы кровеносных сосудов изготовляют из волокнистых материалов в виде плетеных, вязаных или тканых трубочек, которые обязательно подвергают гофрировке, предохраняющих их от сжатия и крутых изгибов. Поскольку сосудистые имплантаты по физиологическим условиям подвергаются большим механическим нагрузкам и многократным деформациям, волокна должны обладать достаточной прочностью и высоким модулем эластичности, а также иметь небольшую толщину, чтобы обеспечивать создание тонкой стенки искусственного сосуда, и гладкую поверхность, предотвращающую тромбообразование и гемолиз.