Существует множество возможностей для применения синтетических биоразлагаемых полимеров в биомедицинской области, особенно в областях тканевой инженерии и контролируемой доставки лекарств . Деградация важна в биомедицине по многим причинам. Деградация полимерного имплантата означает, что хирургическое вмешательство может не потребоваться для удаления имплантата в конце его функционального срока службы, что устраняет необходимость во второй операции. [1] В тканевой инженерии биоразлагаемые полимеры могут быть разработаны таким образом, чтобы аппроксимировать ткани, обеспечивая полимерный каркас, который может выдерживать механические нагрузки, обеспечивать подходящую поверхность для прикрепления и роста клеток и деградировать со скоростью, которая позволяет передавать нагрузку новой ткани. [2] [3] В области контролируемой доставки лекарств биоразлагаемые полимеры предлагают огромный потенциал либо как система доставки лекарств отдельно, либо в сочетании с функционированием в качестве медицинского устройства . [4]
В разработке приложений биоразлагаемых полимеров ниже рассматривается химия некоторых полимеров, включая синтез и деградацию. Описание того, как свойства могут контролироваться надлежащими синтетическими элементами управления, такими как состав сополимера , специальные требования к обработке и обращению, а также некоторые коммерческие устройства на основе этих материалов.
При выборе полимера для биомедицинских применений следует учитывать следующие важные критерии:
Механические характеристики биоразлагаемого полимера зависят от различных факторов, которые включают выбор мономера , выбор инициатора , условия процесса и наличие добавок. Эти факторы влияют на кристалличность полимеров, температуры плавления и стеклования , а также молекулярную массу . Каждый из этих факторов необходимо оценить с точки зрения того, как они влияют на биоразложение полимера. [5] Биодеградация может быть достигнута путем синтеза полимеров с гидролитически нестабильными связями в основной цепи. Это обычно достигается путем использования химических функциональных групп, таких как сложные эфиры , ангидриды , ортоэфиры и амиды . Большинство биоразлагаемых полимеров синтезируются путем полимеризации с раскрытием кольца.
Биоразлагаемые полимеры могут быть обработаны расплавом обычными способами, такими как компрессионное или литьевое формование . Особое внимание следует уделить необходимости исключения влаги из материала. Необходимо позаботиться о том, чтобы высушить полимеры перед обработкой, чтобы исключить влажность. Поскольку большинство биоразлагаемых полимеров были синтезированы путем полимеризации с раскрытием кольца, существует термодинамическое равновесие между прямой реакцией полимеризации и обратной реакцией, которая приводит к образованию мономера. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать чрезмерно высокой температуры обработки, которая может привести к образованию мономера во время процесса формования и экструзии. Это необходимо тщательно соблюдать. Рассасывающиеся полимеры также можно печатать на 3D-принтере . [6]
После имплантации биоразлагаемое устройство должно сохранять свои механические свойства до тех пор, пока оно больше не понадобится, а затем рассасываться организмом, не оставляя следов. Основная часть полимера гидролитически нестабильна. То есть полимер нестабилен в водной среде. Это преобладающий механизм деградации полимеров. Это происходит в два этапа.
1. Вода проникает в объем устройства, атакуя химические связи в аморфной фазе и преобразуя длинные полимерные цепи в более короткие водорастворимые фрагменты. Это вызывает снижение молекулярной массы без потери физических свойств, поскольку полимер все еще удерживается кристаллическими областями. Вода проникает в устройство, что приводит к метаболизации фрагментов и объемной эрозии .
2. Поверхностная эрозия полимера происходит, когда скорость проникновения воды в устройство меньше скорости превращения полимера в водорастворимые материалы.
Биомедицинские инженеры могут адаптировать полимер для медленной деградации и передачи нагрузки с соответствующей скоростью на окружающие ткани по мере их заживления, сбалансировав химическую стабильность полимерной основы, геометрию устройства и наличие катализаторов, добавок или пластификаторов.
Биоразлагаемые полимеры используются в коммерческих целях как в области тканевой инженерии, так и в области доставки лекарств в биомедицине. Конкретные применения включают.