Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství Lekce 4B Biomedicínské polymery Autor: Dr Robert Hill Imperial College London

Biomedicínské polymery Obecně, pokud mají vysokou MW a nedegradují, mohou být označeny za bioinertní. Nejvíc peoblémů způsobuje vyluhování plastifikátorů a aditiv. Důležitá je čistota!!!!. Co prodává jeden výrobce jako polymer X, se může hodně lišit od polymeru X prodávaného druhým výrobcem vzhledem k čistotě, aditivům,... Povrchové reakce a absorpce proteinů může způsobit problémy. Důležitá je textura povrchu a forma implantátu.

Běžné nedegradovatelné (bioinertní) biopolymery Polyethylentereftalát (PET), Dacron. Nylon 6,6. Polyurethany. Polytetrafluoroethylén (PTFE). Polyethylén (low density, high density) plus UHMW. Polysiloxany (silikony). Polymethylmetakrylát. Pozn.: u prvních čtyřech typů jsou důkazy o jisté enzymatické degaradaci materiálu ale ta je velmi malá. Výjimku tvoří některé typy polyurethanů.

Polymethylmetakrylát PMMA Tvrdý, pevný skelný ale křehký polymer polymer. Klasifikován jako bioinertní. Ve spojení s jinými materiály používán na intraokulární čočky a tvrdé kontaktní čočky. In situ se používá jako kostní cement (vytvrzení zastudena). Při polymerizaci dochází ke smrštění. WSmrštění se dost vyrovnává absorpcí vody. Exothermní polymerizace vede k nekróze kostní tkáně – chlazení!! Figure 10.1

Totální náhrada kyčelního kloubu Femorální dřík Femur Femorální hlavice Acetabulární jamka Kostní cement Pánev

Polytetrafluoroethylén (PTFE) Chemická struktura [-CF2-CF2]n. PTFE je chemicky extrémně stabilní, klasický příklad bioinertního polymeru. Vysoká krystalinita, krystality mají vysoký MP (330oC) – obtížné zpracování. Do požadovaných tvarů se obrábí ze sintrovaných polotovarů. Goretex je forma vláknitrých vrstev z PTFE – mnoho využití, např. membrány. PTFE má poměrně špatné mechanické vlastnosti –nízká mez kluzu, to omezuje použití na nenosné (nestrukturální) komponenty. Používá se jako část vaskulárních protéz ve formě povlaků (coatings) na Dacronu.

Polyethylén (PE) Chemická struktura [-CH2-CH2]n. Používají se 3 typy : Low density polyethylene LDPE( nižší stupeň krystalinity). High density polyethylene HDPE (vyšší stupeň krystalinity). Ultra high molecular weight polyethylene UHMWPE (MW >105 - 106). PE má pro většinu nosných aplikací nízkou pevnost. Mez kluzu se zvyšuje se zvyšující se MW a stupněm krystalinity. PE je podobně jako PTFE bioinertní polymer. PE je hydrofobní polymer. LDPE a HDPE jsou dobře tvarovatelné, UHMPE ne a podobně jako PTFE se obrobí po sintrování. UHMWPE se používá na nosné povrchy, na acetabulární komponentu u THR a používá se pouze v ortopedii. Pozor!!! Částice UHMWPE (otěr) jsou velmi toxické a způsobují nekrózu kostí a osteolýzu - léze, které jsou hlavním faktorem selhání kyčelních kloubů.

Polysiloxany (silikony) Hodně používané. Dlouhodobě sledovány. Materiály zahrnují elastomery, gely, lubrikanty, pěny a adhesiva. Chemicky velmi stabilní a nereaktivní. Velmi hydrofobní. Nízká nasákavost vody. „Polymer volby“ pro dlouhodobé použití v těle kde potřebujeme elastomer a kde je potřeba delší trvanlivosti (biodurability) a biokompatibility. Dobré elektrické isolační vlastnosti.

Polysiloxany (silikony) Téměř všechny biomateriály založeny na polydimethylsiloxanu. CH3 | [-O-Si-]n Všimněte sei, že ve struktuře nejsou žádné polární skupiny. To je příčinou výrazně hydrofobního chování s mizernou smáčivostí materiálu. Polydimethylsiloxany se jen vzácně používají bez modifikací.

Polysiloxanové elastomery Obsahují zesíťované modifikované polysiloxany o vysoké MW (>3.5 x105), vyztužující plnivo a katalyzátor startující zesíťování. Tyto materiály snadno tečou pouze pod tlakem a vyrábějí se technologiemi jako je tlakové odlévání, kalandrování a extruze. Druhy s nízkou MW (<105) se mohou vyrábět odléváním v roztoku a reaktivním vstřikovacím litím. Vulkanizační/síťující systémy mohou zahrnovat benzoyl peroxide, platinové katalyzátory and vytvrzování za pokojové teploty (RTVs).

Polysiloxanové gely Podobné elastomerům ale neobsahují žádná plniva a obecně jsou na bázi nízkomolekulárního polydimethylsiloxanu který velmi snadno síťuje. Použití u prsních implantátů je někdy problematické díky nezesíťovaným nízkomolekulárním řetězcům a nečistotám. Nedoporučují se k použití bez nepropustných obalů tohoto materiálu.

Polysiloxanová adhesiva Dva základní typy: Ty, které se vytvrdí a zesíťují po styku s vodou. Př: Silastic Medical Adhesive type A. Tento typ obsahuje acetoxylové skupiny reagující s vodou za vzniku Si-O-Si-O-Si sítí a kyseliny octové. Jsou důkazy o reakci tkání na vyluhovanou kyselinu. Ty, které spoléhají na vlastní lepivé vlastnosti, např. Dow Corning 355. Tento typ se dodává rozpuštěný ve fluorovaných rozpouštědlech.lze ho použít ke spojení materiálů na kůž,kovy, papír, sklo, textilie, polysiloxany a elastomery. Jeho adhesivní vlastnosti k polysiloxanům nejsou příliš dobré po dlouhých aplikacích kdy dochází k difusi rozpouštědla do polysiloxanu.

Polyamidy (Nylon) Základem jsou –CONH– vazby. Většina materiálů využívá Nylon 6 a Nylon 6,6. Vlákna a odlitky jsou částečně krystalické – krystalinita ovlivňuje vlastnosti. Slušně hydrofilní. Absorbují vodu, vlastnosti se mění. Kevlar je polyaromatický nylon, na jeho bázi vznikla vysoce pevná vlákna – to je kontroverzní k biokompatibilitě.

Polyethylentereftalát) (PET) Relativně hydrofilní. Absorpce proteinů a trombogenicita vzrůstá s hydrofobním charakterem. PET je lepší materiál pro nástroje než PA neboť amidy mají tendency degradovat. Dacron – základem jsou amorfní vlákna PET. Těsně utkaná tkanina podporuje maximální pokrytí buněk zatímco příliš hrubá tkaná osnova nepodporuje vrůstání tkáně.

Polyethyléntereftalát (PET) Struktura PET. Všimněte si esterových skupin. Je to příklad aromatického ester. Aromatické estery obecně v těle nedegradují.

Polyurethany jsou polymery obsahující the urethanové skupiny. | -N - C - O – || O Existuje velké množství urethanových polymerů s velmi odlišnými fyzikálními a biologickými vlastnostmi.

Syntéza polyurethanů Urethanová skupina vzniká jako výsledek reakcí isokyanátů s alkoholy: R’-N=C=O + R - OH R’-N-C-O-R | || H O Polyurethan pak lze napsat jako: [-R-O-C -NH -R-HN-C-O-]n || || O O

Známe širokou škálu polyurethanů díky různým substituentům R a R´. R je typicky oligomer(MW 200–500), polyether ukončený hydroxylovou skupinou nebo polyester. Obecně dvoustupňová synthesa zahrnuje přípravu nízkomolekulárního prepolymeru s následným prodloužením řetězců či zesíťováním. Běžné prepolymery jsou založeny na 2,4-toluen diisokyanátu (TDI) nebo 4,4-difenylmethandiisokyanátu (MDI). Polyetherurethany jsou většinou na bázi polytetramethylenoxidu (PTMO), polypropylenoxidu (PPO) a polyethylenoxidu (PEO). Polyesterurethany jsou většinou na bázi polykaprolaktonů.

Prodlužování řetězce u polyurethanů. Prodlužování řetězce lze uskutečnit pomocí glykolů a diaminů. Povaha extenderů je velmi důležitá neboť ovlivňuje flexibilitu řetězců a tím i modul. Je také možné zavést močovinové zbytky -NH-CO-NH- stejně jako urethanové -NH-CO-O-. Většina polyurethanů pro lékařské použití jsou dvoufázové blokové kopolymery (tzv. segmentové polyurethany). Polyester nebo polyetherglycol tvoří měkký segment a matrici (fázi).

Polyurethany v těle Dříve byly pozorovány akutní reakce u implantátů z PUR. Většina studií byla provedena s komerčními produkty, málo s dobře charakterizovanými materiály. Dnes se má zato, že pozorované reakce jdou na vrub in vivo hydrolýze esterové skupiny u polyesterurethanů. Problémy se také vyskytly s odmítnutím prsních implantátů pokrytých polyesterurethany vzhledem k degradaci urethanu. Segmentové polyetherurethany mají přednost vzhledem k větší stabilitě a menší náchylnosti k hydrolýze. Komerční příklady: Biomer, Pellethane and Tecoflex. Segmentové polyetherurethanÿ mají dobrou hemokompatibilitu a jsou jedním z preferovaných materiálů pro nástroje které přichází do kontaktu s krví.

Biodegradovatelné polymery nebo hydrolyzovatelné polymery

Bioresorbovatelné Bioresorbovatelný materiál je navržen tak, aby v těle po splnění svého úkolu degradoval. Používané materiály obvykle degradují v těle tak, že z nich vznikají normální metabolity. Příklady: Polylaktid. Polyglykolid. Poly(-3-hydroxybutyrát). Estery polyhyaluronové kyseliny. Biodegradovatelné/hydrolyzovatelné polymery jsou často základem „žebříků“ (lešení, scaffolds) pro tkáňové inženýrství.

Biodegradovatelné polymery (ale ne skutečně!!) Polyglykolová kyselina (polyglycolide). Polymléčná ¨kyselina (polylactide). Poly-3-hydroxybutyrate. Polydioxanon. Lineární polyaliphatické estery. Kopolymery vyjmenovaných s dalšími látkami jako např. polyglykolová kyselina/kyselina mléčná) a polyglykolid-trimethylenkarbonát).

Degradace hydrolýzou Polymery vyráběné polykondenzací jsou náchylné k hydrolýze. Kromě toho pokud polymer obsahuje v jako boční skupin hydrolyzovatelná uskupení, též může probíhat jejich hydrolýza. Rychlost hydrolýzy je závislá na absorpci vody polymerem a často je omezena difusí vody do polymeru. Difuse vody do polymeru je často spojená s faktrorem rozpustnosti, Tg a stupněm krystalinity. Polyestery se strukturou [-R-COO-]n jsou často náchylné k hydrolýze. Degradace je často závislá na pH. Estery se hydrolyzují snáze v kyselém a alkalickém prostředí. Při hydrolýze esteru vzniká kyselina, proto pH během hydrolýzy klesá a degradační proces se urychluje.

Bobtnání a rozpouštění Polymery při styku s kapalinami se mohou rozpouštět či bobtnat. Malé molekuly kapaliny mohou difundovat do polymeru za odpuzování polymerních řetězců a zvyšování obejmu. Toto se děje zejména na poškrábaných místech povrchu a vede to k lokálnímu pnutí a/nebo vzniku trhlin. Rozpouštění = hraniční stav. Degradaci tímto způsobem lze snížit: Zesíťováním. Zvětšenou MW. Zvýšeným stupněm krystalinity. Snížením teploty.

Polyglykolid a polylaktid Poly(a-hydroxy) kyseliny jsou skupinou polymerů založených na opakujících se skupinách -(O-CO-CHR)-n a jsou odvozeny od a-hydroxykyselin HO-CHR-COOH. Od roku 1960 se vyvíjely pro náhrady při osteosyntéze. Polyglykolid se hojně využívá pro degradovatelné sutury (šití). Implantáty se vyrábějí jak z polyglykolidů, tak i polylaktidů. Oba polymery jsou polyestery a mají esterovou skupinu – která může být hydrolyzována) - v hlavním řetězci (kostře). Degradačními produkty těchto dvou polymerů jsou kyselina glykolová a mléčná, obě jsou normálně přítomné v těle.

Polyglykolidy Polyglykolidy mají strukturu (O-CO-CHR)-n kde R=H Vysokomolekulární PGA (kyselina polyglykolová) je tvrdá pevná látka o Tm ~ 228oC, Tg ~ 37oC. Polymer lze spřádat do vláken tam, kde MW je mezi 2 × 104-1.45 × 105. Pevnost PGA je u vláken zvýšena s ohledem na orientování polymerních řetězců  využití v lékařských suturách. Vysokomolekulární PGA se vyrábí dehydratací hydroxyoctové kyseliny čili glykolové kyseliny. Vzniklý glykolid je cyclický dimer = produkt kondenzace. PGA lze syntetizovat z glykolidu za přítomnosti katalyzátoru (soli kovů) v malých koncentracích. Probíhá polymerizační otevření kruhu. Molekulová hmotnost vzniklého polymeru závisí na teplotě, době polymerizace, katalyzátoru.

Degradace polyglykolové kyseliny Polyglykolová kyselina (PG) má nižší Tg než polyhydroxybutyrát (PHB) nebo PET a vyšší absorpci vody. PG degraduje hydrolyticky. Sutury (stehy) z tkaných vláken PG degradují v těle cca do 20 dní

Polylaktidy -(O-CO-CHR)-n kde R=CH3. Náhrada H skupinou CH3 vede k více hydrofobnímu polyesteru a má za následek nižší příjem vody a pomalejší hydrolýzu. R=CH3 má dále vliv na vznik chirálního centra a vede ke vzniku D a L forem stejně jako k (DL)- racemické směsi u které je náhodné uspořádání chirálních center. D a L formy jsou většinou krystalické zatímco racemická forma ne. Stupeň krystalinity ovlivňuje pevnost, lomovou houževnatost a degradační chování. Krystalické oblasti nesorbují tolik vody a jsou odolnější vůči degradaci. To může vyústit ve tvorbu krystalitů, které se nacházejí v těle ve formě zbytků po proběhlé degradaci.

Degradace polylaktidů Degradace je často autokatalytická. Degradace u masivnějších částí materiálu probíhá rychleji než u tenkých díky vytvoření lokálních míst s nízkým pH. To může způsobit rychlé uvolnění kyseliny mléčné a oligomerů na bázi polylaktidů - toxická odpověď na kyseliny. Lze tomu zabránit použitím zásaditých plniv která neutralizují kyselé skupiny uvolněné hydrolýzou. Aplikace polylaktidů zahrnují kostní štěpy, šrouby a fixační destičky. Aplikace jsou omezené – rychlý úbytek pevnosti tohoto materiálu in vivo.

Poly-3-hydroxybutyrát (PHB) Poly(3-hydroxybutyrát) je ukázkový příklad biotechnologické přípravy nového materiálu se všemi výhodami biosyntézy. Má mnoho atraktivních vlastností využitelných v biomedicínských aplikacích. Je to polyester stejně jako polyglykolid, používá se na stehy a je v těle biodegradabilní.

Degradace PHB Poly(3-hydroxybutyrát) PHB je polymer produkovaný bakteriemi. PHB je podobný PET ve smyslu dobrých mechanických vlastností. PHB má Tg kolem 10oC. PHB je méně hydrofobní než PET a jeho absorpce vody je vyšší. PHB degraduje hydrolyticky. PHB je degradován i v půdě. Tím je to také atraktivní obalový materiál. Degradace je urychlována půdními bakteriemi.

Struktura Poly-3-hydroxybutyrátu PHB je ester. Podobá se strukturně PET. Má chirální centrum. Biosyntéza umožňuje ideální stereochemii a vede k vysokému stupni krystalinity >95% Lze vyrábět kopolymery s estery kyseliny hydroxyvalerové. Degradační produkty jsou hydroxybutanová kyselina – běžný metabolit. Pro biomedicínské aplikace degraduje poněkud pomalu.

Vlastnosti degradovatelných polyesterů (srovnání s PET)

Kyselina hyaluronová Hyaluronová kyselina je důležitým biopolymerem a můstkem mezi syntetickými a v přírodě se vyskytujícími se polymery stejně jako můstkem mezi biochemií a syntetickou chemií polymerů. Hyaluronová kyselina je také příkladem komerčně použitelného biopolymeru s mnoho stávajícími a potenciálními využitími jako biomateriál. Je to též velmi důležitý extracelulární biologický polysacharid a hraje velkou roli při regulaci prostředí ve kterém mohou existovat buňky.

Kyselina hyaluronová Je to polysacharid a tak nemá monodispersní rozdělení molekulárních hmostností, jeho struktura není určena genetickým kódem. Protože je to polysacharid, nevyvolává imunitní odpověď. Jeho průměrná molekulová hmotnost a její rozdělení určují mechanické vlastnosti. Je to přírodní polysacharid a proto je úplně degradovatelná in vivo – ideální jako matrice pro kontrolované dodávání léků a matrice pro hybridní implantáty na bázi živých buněk a hydrogelové matrice.

Kyselina hyaluronová Také velmi vhodný materiál pro nelepivé krytí ran. Hyaluronová kyselina je důležitým biopolymer ke spojování tkání. Důležité je to, že většina buněk neexistuje v krystalické matrici nebo ve volném roztoku ale v hydrogelech. Nejběžnější přírodní hydrogel je založen na kyselině hyaluronové.

Kyselina hyaluronová v těle Kyselina hyaluronová se nachází v přírodní formě jako: Největší část extracelulární matrice, Integrovaná součást vodné oční tekutiny, Integrovaná součást synoviální kapaliny v kloubech – reologická kontrola, viscoelastické zvlhčující médium. Hyaluronová kyselina Kontroluje obsah vody v extracelulární tekutině, Zabraňuje penetraci bakterií do buněk, ale ne molekulám Váže kationty a silně ovlivňuje mobilitu buněk a obnovený růst tkání. Vlastnosti kyseliny hyaluronové (gelů) jsou určovány molekulární hmotností a jejich distribucí, koncentrací- to ovlivňuje penetrační vlastnosti.

Struktura kyseliny hyaluronové D-glukoronová kyselina N-acetyl-D- glukosamin

Vlastnosti kyseliny hyaluronové Lze je měnit. Komerční kyselina hyalkuronová je extrahována z kohoutích hřebínků, dnes ale je to zejména produkt biochemického inženýrství (geneticky upravené bakterie). Molekulární hmostnost kyseliny se může měnit, mění se viskozita a vlastnosti gelu. Základní strukturu lze modifokovat: Esterifikací zavádějící hydrofobní skupiny síťováním. Zvýšený hydrofobní charakter a stupeň prosíťování snižují příjem vody, snižuje se nárůst materiálu a jeho degradovatelnost. To umožňuje šít na míru vlastnosti využitelné v daných aplikacích.