3. Для их изготовления используют полимерные биоматериалы, которые должны обладать высокой биосовместимостью и биомеханическими свойствами, необходимой прочностью и гибкостью, легко поддаваться обработке, прочно удерживаться в организме и во многих случаях длительно работать в сочетании с другими полимерами и металлами в достаточно сложных конструкциях.
В настоящее время разработаны полимерные имплантаты, позволяющие частично или полностью заменять кости и фаланги пальцев, фрагменты кисти и запястья, плечевые и локтевые суставы.
Главными требованиями для восстановления нарушенной и утраченной двигательной функции суставов являются стабильность и высокая подвижность. Основным проблемами разработки материала для протезов кисти являются обеспечение необходимого сочетания твердости и прочности с высокой эластичностью, а также надежной фиксации протезов к кости.
Протезы должны: 1) обеспечить полный объем физиологически меобходимых движений, т. е. сгибание, разгибание, вращение и др. под илиянием сил, действующих на бедро, с минимальной затратой энергии; 2) стабильно функционировать в организме в течение не менее 20 лет без заметных признаков изменения физико - механических свойств; 3) иметь возможность легко заменить любую деталь при возникновении износа, не нарушая функционирования органа. Для обеспечения этих требований материал для изготовления протеза должен иметь: 1) низкий коэффициент трения; 2) малую степень износа; 3) высокую надежность крепления к костям скелета; 4) достаточную прочность.
Лекция 9 - Применение биоматериалов в восстановительной медицине
Содержание:
Трансдермальные биоматериалы и дренажи. Биоматериалы в офтальмологии и стоматологии.1. В качестве материалов для получения покрытий широко используются различные синтетические и природные полимеры. К таким биоматериалам в связи с их функциональной направленностью предъявляется ряд требований медико - биологического и технологического характера (способность абсорбировать раневой эскудат, возможность безболезненного удаления покрытия, защита ран от проникновения внешней инфекции и внешнего механического воздействия, наличие лечебных свойств, высокая аэропроницаемость и легкость стерилизации). На смену марлевых повязок приходят графты на основе различных полимерных биоматериалов, таких как целлюлоза и ее производные, поливиниловый спирт, силикон, полиэтилен, декстран, альгинаты, коллаген, сегментированные полиуретаны и др.
Среди синтетических полимеров, используемых в покрытиях на раны и ожоги, заметное место занимают сегментированные пенополиуретаны. Пористая структура материала позволяет «дышать» поврежденной поверхности и испаряться эскудату, в то же время длинные, узкие, извилистые поры уменьшают возможность проникновения инфекции. Пенополиуретан имеет высокую сорбирующую способность, хорошую проницаемость по кислороду, эластичность, нетравмирующую мягкость и удобство при стерилизации любым из доступных способов. Поглотительную способность полиуретанового покрытия можно регулировать изменением пористости полимера, а также введением поверхностно-активных веществ.
Физиологически, коллаген является превосходным материалом так как способен связываться с фибрином, сращиваясь с натуральным компонентами, которые выделяются фибробластами. Кроме того, механические свойства могут подбираться путем регулирования степени сшивки, и напротив его деградация осуществляется натуральным ферментом, вырабатываемым организмом - коллагеназой.
2. Перспективным материалом для офтальмохирургии является полиуретан, обладающий высокой биосовместимостью и хорошими физико-механическими свойствами. Материалы на основе полиуретанов уже нашли широкое применение в офтальмологии для протезирования роговой оболочки, формирования культи после энуклеации глаза, хирургической коррекции и т. п. Для лечения глаукомы в далекозашедшей стадии полиуретановые имплантаты получали в виде монолитных пленок, содержащих в своей структуре офтальмологические препараты, стимулирующие зрительные функции, такие как тауфон, энкад, эмоксипин и трентал.
В настоящее время усовершенствована методика внутристромальной имплантации искусственного гидрогеля для создания оптической роговицы, корректирующей зрительную дисфункцию. Такие внтуристромальные линзы или кольца изготавливают из полиметилметакрилата, полисульфона и силиконовой резины. Некоторые гидрогели, например на основе сополимера ГЭМА или пенополиуретана используются для скрепления отслоенной сетчатки глаза.
Другим приложением биоматериалов является стоматология.
Наиболее интенсивно используемым материалом в качестве искусственной экстраклеточной матрицы является полигликолевая и полимолочная кислота или их сополимеры. Главным аргументом их активного применения в тканевой инженерии и в качестве биосовместимых материалов служит их высокая доступность в коммерческом масштабе с высоким уровнем медицинской чистоты и качества. Немаловажным обстоятельством является технологическая или процедурная легкость получения материалов на их основе приемлемой формы и подходящей степени пористости. Как правило, материал используют в виде пористой губки или волокнистой текстуры, что создает контактную поверхность высокой степени для удобства адгезии клеток и доступности для диффузии питательных веществ и удаления продуктов метаболизма.
Лекция 10 - Полимерные хемоэлектромеханические преобразователи энергии
Содержание:
1. Преобразователи на основе стимул-чувствительных полимеров. Гидрогелевые микрожидкостные регуляторы.
2. Искусственные мускулы на основе диэлектрических эластомеров и пластиков.
3. Преобразователи на основе полиэлектролитных гидрогелей.
1. Хемоэлектромеханические системы могут быть созданы на основе полимеров, которые можно условно разделить на несколько типов.
1. Стимул чувствительные гидрогели.
2. Электроактивируемые полимеры:
а) Диэлектрические эластомеры и пластики;
б) Электропроводящие полимеры;
в) Полиэлектролитные гидрогели.
Полимерные гели это - пространственно сшитые цепные молекулы, набухшие в растворителе, причем содержание последнего может быть очень велико - более 99,8%. Таким образом, гели способны к сильному набуханию. Набухшие гели способны претерпевать резкое уменьшение объема, так называемый коллапс, в ответ на небольшие изменения внешних условий: температуры, рН, ионной силы, природы растворителя, освещенности, давления, электрического и магнитного полей.
Природа химических мускулов основана на анизотропии свойств макромолекул, обусловленной их цепным строением. Полимерные гели могут также претерпевать коллапс при комплексообразовании с высокомолекулярными соединениями и низкомолекулярными веществами. Так наблюдается заметная контракция гидрогелей при взаимодействии с линейными макромолекулами посредством кооперативных водородных связей, либо электростатических контакгов.
Перспективным материалом для молекулярных машин являются пористые гидрогели со структурой швейцарского сыра, характеризующийся быстрой кинетикой обратимого процесса набухания-контракции.
Важной проблемой медицины (фармацевтики) является создание автономных инфузионных микросистем. Одним из материалов для их получения являются стимулчувствительные полимеры. Полимеризацию проводят в микрокапсулах методом фотополимеризации. Существенным компонентом в системах контроля течения являются краны, конструкции которых различной геометрии были разработаны.
Одним из примеров контроля потока с использованием гидрогелей являются «умные каналы», выстланные рН чувствительным гидрогелем (активатор) на основе сополимера гидроксиэтилметакрилата и акриловой кислоты. Полимер может быть в виде полосок или столбиков. Когда кислый раствор течет через канал, гидрогель сжимается, а если течет щелочной раствор, то гель расширяется и запирает канал. Недостатком конструкции является большое время открытия канала при химической стимуляции из-за медленной диффузии от одного конца закрытого канала до другого.
Перспективным является их использование в микрожидкостных устройствах электростимулирования. Сочетая гидрогелевый активатор с простой электронной схемой, удается скомбинировать преимущества обоих подходов, таких как легкость создания изделия с точным контролем системы. Используемый вольтаж может быть низким (5-12в). В настоящее время ограничения состоят в асимметрии набухания и образований пузырьков на электродах. Однако разработка усовершенствованных материалов для электродов и дизайн должны снизить влияние этих ограничений. Изменение объема в течение секунд контролируется вариацией амплитуды циклов.
2. В последние годы наряду с полимерными гидрогелями в качестве искусственных мускулов используются электрострикционные эластомеры и пластики. Углеводородные цепные молекулы образуют в них полукристаллические структуры, обладающие электрическими свойствами. Они приводятся в действие электрическим полем высокого напряжения, отличаются быстродействием и значительными механическими усилиями. Линейные размеры электроактивных полимеров (ЭАП) могут изменяться на десятки и даже сотни процентов.
Многие диэлектрические изолирующие пластики, как полиуретаны, акриловые и силиконовые эластомеры, под действием высоковольтного электрического поля сжимаются вдоль силовых линий поля и расширяются перпендикулярно им. Это явление называется максвелловской деформацией. Более мягкие силиконовые полимеры сильнее подвержены деформации под действием электрического поля. Такие активируемые электрическим полем полимерные материалы показывают значения относительной деформации порядка 20-30%. Устройство искусственного мускула довольно просто и может быть представлено следующим образом (рис.1)
Рис.1 Схема линейного искусственного мускула на основе диэлектрического эластомера
Это конденсатор из двух проводящих пластинок (электродов) с прокладкой из изолирующего полимера с толщиной порядка 30-60 мкм. При приложении высокого напряжения разноименно заряженные пластины электродов притягиваются друг к другу и сжимают полимерный изолятор, который вынужден растягиваться (расширяться). Электрод обычно представляет собой тонкую пленку эластомера, ламинированную с двух сторон проводящими углеродными частицами. Таким образом, электроды способны расширяться вместе с изолирующим пластиком, причем действие электрического поля распределяется равномерно по всей рабочей поверхности.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 |
