Elastomery uretanowe - stosowane jako biomateriały

(1)

TOM 1 wrzesień - październik 1997 S C a & tw te n y nr 6

Bogumiła Masiulanis*, Grzegorz Całusiński*

Elastomery uretanowe -

stosowane jako biomateriały

Wśród polimerów stosowanych obecnie w medycynie jako materiały wspo

magające lub zastępujące w działaniu chore części organizmu szczególnie ważne miejsce zajmują elastomery uretanowe. W artykule przedstawiono właściwo

ści wytwarzanych handlowo biomedycznych poliuretanów, substraty do ich otrzymywania oraz metody modyfikacji poliuretanów stosowane dla poprawy ich hemo- i biokompatybilności. Przedstawiono również własne badania nad polimerami przydatnymi dla celów medycznych.

Słowa kluczowe: elastomery uretanowe, biomateriały, modyfikacje

Polyurethane elastomers used as biomaterials

Among o f the polymers used nowadays in medicine as materials which may assist or replace sore elements o f organism, polyurethanes play particu

larly great role. We describe here the properties o f commercial biomedical polyurethanes, the substrates to their synthesis and the methods o f modifica

tion o f polyurethanes to improve the hemo- and bio-compatibility. The own investigations on polymers useful fo r medicine are also presented.

Key words: polyurethane elastomers, biomaterials, modifications

W ostatnich dziesięcioleciach rozw inęło się za

stosow anie m ateriałów polim erow ych w farm acji - głównie w w ytw arzaniu leków o przedłużonym i kon

trolowanym uwalnianiu i w medycynie, gdzie zastępu- ją o n e szereg tradycyjnie stosow anych m ateriałów jak

stal, ceramika, szkło, jedw ab, katgut.

Polim ery stosow ane jako tzw. biom ateriały, tj.

m ateriały stykające się z krw ią i z żywym i tkankam i, m uszą charakteryzow ać się brakiem toksyczności i oddziaływania rakotwórczego i m utagennego na orga

nizm, nie wywoływaniem skrzepów krwi (atrombogen- nością), odpornością na działanie środow iska żywego organizmu, na warunki sterylizacji i na działanie pro

m ieniowania radiacyjnego oraz odpowiednimi w łaści

wościami fizycznymi, um ożliwiającym i spełnianie żą

danej funkcji. Pow inny być to także materiały, które m ogą być pow tarzalnie w ytw arzane bez zm ian w ła

*Katcdra Technologii Polimerów, Politechnika Gdańska

ściwości oraz odporne na warunki form owania w yro

bów medycznych.

W odróżnieniu od przeszczepianych tkanek p o

chodzenia naturalnego, polim ery syntetyczne stosowa

ne jako biom edyczne im plantaty nie w yw ołują reakcji immunologicznych organizmu, jakie są związane z nie- tolerowaniem obcego białka; nie w ystępują także przy ich stosowaniu problem y natury etycznej.

Hemo- i biotolerancja m ateriału polim erow ego zależy nie tylko od rodzaju samego związku w ielko

cząsteczkowego, ale także od zawartych w tworzyw ie substancji dodatkowych, np. plastyfikatorów, kataliza

torów, napełniaczy, przeciw antyutleniaczy czy innych stabilizatorów. Składniki te m ogą m igrować na p o w ierzchnię m ateriału i dalej do tkanek, oddziaływać toksycznie i w yw oływ ać reakcje im m unologiczne.

Takie działania m ogą także powodow ać nieprzereago- wane reszty monomerów, reszty rozpuszczalnika lub produkty degradacji polim eru w organizmie.

(2)

nr 6 wrzesień - październik 1997 TOM 1

W śród polim erów stosowanych obecnie jako bio

m ateriały szczególnie w ażne m iejsce zajm ują elasto

m ery uretanowe. Rozwój badań nad ich zastosowniem do celów m edycznych zw iązany był z pracam i nad wytwarzaniem sztucznej lewej kom ory serca, całkowi

cie sztucznego serca, zastaw ek serca, protez naczyń krwionośnych i in. Uwarunkowane to było z jednej stro

ny dobrą hemo- i biokom patybilnością poliuretanów, a z drugiej strony ich bardzo dobrymi właściwościam i wytrzym ałościowymi i m ożliw ością regulowania twar

dości i elastyczności [1,2,3,4].

W ytrzymałość poliuretanów na rozciąganie prze

wyższa znacznie w ytrzym ałość innych polim erów sto

sow anych w m edycynie, np. w porów naniu do kau

czuku siloksanowego jest 5-10 krotnie większa. Od bio

m ateriałów stosow anych w kardiochirurgii wym agana jest szczególnie wysoka odporność na wielokrotne zgi

nanie; m ateriał przeznaczony na elem enty serca lub całkow icie sztuczne serce pow inien wykazywać zdol

ność do pracy przez 10 lat i wytrzym yw ać 400 m ilio

nów zgięć [3]. Zbliżona odporność na wielokrotne zgi

nanie charakteryzuje w g [1] biom edyczny poliuretano- m ocznik „B iom er” .

Proces w ytw arzania elastom erów uretanow ych nie w ym aga stosow ania plastyfikatorów ; żądane w ła

ściwości uzyskuje się dobierając rodzaj i w zajem ny stosunek ilościowy wyjściow ych oligomerów typu oli- goestro- lub oligoetero- oli, zawierających co najmniej 2 grupy hydroksylowe i m onom erów typu di- lub polii- zocyjanianów oraz m ałocząsteczkow ych zw iązków zaw ierających co najm niej 2 grupy z czynnym w odo

rem (najczęściej hydroksylowe lub aminowe). Te ostat

nie monomery spełniają rolę przedłużaczy łańcucha lub środków sieciujących . Ze w zględu na form owanie wyrobów m edycznych z biom edycznych poliuretanów przez w ylew anie lub pow lekanie z ich roztworów lub przez w trysk czy wytłaczanie, w procesach w ytw arza

nia tych elastom erów stosow ane są w większości substraty dwufunkcyjne. Struktura chemiczna wyjściowych komponentów, wielkość m asy cząsteczkow ej, wielkość Tabela 1. Elastomery uretanowe „ biomedical grade ”

i rozrzut m as segm entów giętkich (z oligom eroli) i sztywnych (z poliizocyjanianu i przedłużacza łańcucha), stopień wymieszania segmentów, występowanie oddzia

ływań m iędzycząsteczkow ych (głównie m ostków w o

dorowych), tw orzenie układów sem ikrystalicznych - w pływ ają na w ytrzym ałość, m aksym alne wydłużenie, twardość, elastyczność, wielkość m odułu początkowe

go, wytrzym ałość na wielokrotne zginanie oraz na tem peraturę zeszklenia i tem peraturę m ięknienia lub top

nienia poliuretanów.

Badania nad elastom eram i uretanow ym i w yka

zały, że przy odpow iednio dobranym składzie, w yka

zują one napięcie pow ierzchniow e 27-29 x l 0‘3 N/m, m ieszczące się w górnej granicy napięcia pow ierzch

niowego (20-30 x 10'3 N/m), przy którym nie powinny występować bioadhezja i powstawanie skrzepów krwi [1,2]. W ostatnich latach stwierdzono, że separacja fazo

wa sztywnych i giętkich segmentów elastomerów wywo

łuje na ich powierzchni równowagę hydrofilowo-hydro- fobową, z którą zw iązana jest ich m ała trom bogenność [5]. W prow adzonych w ciąż badaniach nad popraw ą hemo- i biokom patybilności poliuretanów dąży się naj

częściej do zwiększenia hydrofilowości ich powierzchni, ale prowadzone sątakże prace nad zwiększeniem hydro- fobowości, która sprzyja absorpcji na powierzchni albu

m in z krwi, przeciw działających osadzeniu się fibrynogenu inicjującego pow staw anie skrzepów [5].

Spośród innych m ateriałów polim erow ych, bar

dzo dobrą hem okom patybilność w ykazują wysoko hydrofilowe materiały, ja k np. hydrożele z polihydrok- syakrylanów, ale także wysoko hydrofobowe polimery -ja k teflon lub kauczuk siloksanowy.

N a m iędzynarodow ej konferencji „Biom aterials for the 1990s” [6] M. Szycher przedstaw ił handlowe elastom ery uretanow e o czystości m edycznej (biom e

dical grade). Podajem y je w tabeli 1, uzupełniając opis składu na podstaw ie literatury. Struktura chem iczna niektórych biomedycznych poliuretanów pokazana jest na rysunkach 1 -5, a ich właściw ości fizyczne zebrane są w tabeli 2 w g [1,2].

dostępne w handlu (1990)

Nazwa Dostawca Struktura, wyjściowe komponenty Przetwórstwo

Biomer Ethicon, Inc. Liniowy, segmentowy; Wylewanie z roztworu

Somerville, New Aromatyczny djizocyjanian (MDI) Jersey Oligooksytetrametylenoglikol (PTMG)

Etylenodiamina (rys. 1)

Biothane Cas Chem, Inc. Usieciowany poliuretan; Reaktywny system dwukom-

Bayonne, New Diizocyjanian aromatyczny lub alifatyczny (Vorite) ponentowy;

Jersey Trigliceryd kwasurycynolowego (olej rycynowy, kapsułkowanie;

Polycin) (rys. 2) powlekanie

(3)

TOM 1 wrzesień - październik 1997 StciAtG M & U f, nr 6

Cardiothane Kontron, Inc.

Everett, Massachusetts

Usieciowany kopolimer uretanowo-silikonowy;

Diizocyjanian aromatyczny (MDI) Oligooksytetrametylenoglikol (PTMG) 1,4-butanodiol

Polidimeiylosiloksan zakończony 3

Wylewanie i powlekanie

Elastomeric adhesive BA-1011

Mila Chemical Corp. Liniowy, segmentowy;

S.Lynnfield, Diizocyjanian aromatyczny, Massachusetts Poli(kaprolaktono)diol (PCL)

1,4-butanodiol

(rys. 5)

Monokomponentowy system szybko krystalizujący;

kleje przylepcowe Hypol Plus

FHP4000 FHP 5000

W. R. Grace Lexington,

Massachusetts

Liniowy;

Prepolimer uretanowy z aromatycznego diizocyjania- nu (MDI) i polieterów, z dużą zawartością politlenku etylenu

Dwukomponentowy reak

tywny system do wytwarza

nia hydrofilowych pianek Pellethane

2363 (seria odmian)

Upjohn Chemical North Haven, Connecticut

Liniowe, segmentowe;

Diizocyjanian aromatyczny (MDI) Poli(oksytetram etyleno)glikol (PTMG)

1,4-butanodiol (rys. 4)

Wytłaczanie; formowanie wtryskowe; wylewanie z roztworów

Rimplast PTUA 102

Petrarch Systems Wzajemnie przenikające sieci poliuretanu i polisilok- Bristol, Pensylwania sanu (pseudo IPN)

Wytłaczanie; prasowanie wtryskowe

Tecoflex Thermedics, Inc.

Waltham, Massa

chusetts

Liniowy, segmentowy;

Diizocyjanian alifatyczny

Poli(oksytetram etyleno)glikol (PTMG)

1,4-butanodiol (rys. 3)

Wytłaczanie; prasowanie wtryskowe; wylewanie z roztworów

Prepolimer Vorite 685

Rys. 2. Komponenty do wytwarzania poliuretanu „Biothane’

(4)

StcK U fom eny nr 6 wrzesień - październik 1997 TOM 1

Rys. 5. Schemat struktury cząsteczkowej kleju poliuretanowego BA-1011

(5)

TOM 1 wrzesień - październik 1997 nr 6

Tabela 2.

Właściwości fizyczne wybranych biomedycznych poliuretanów (na podstawie [1, 2]) (Fix = moduł zginający)

Nazwa poliuretanu Twardość,

“Shore’a

Naprężenie przy 100%

wydłużenia, MPa

Naprężenie przy 300 % wydłużenia,

MPa

Wytrzymałość na rozciąga

nie, MPa

Maksymalne wydłużenie względne, %

Odporność na wielokrot

ne zginanie, min cykli

Absorpcja wody (po 24 h), %

Biomer Sol G 75A 2,7-5,5 ^- 31-41 600-800 74[2], 320[1] 1,2

Biomer Ext G ^- ^- ^- 28-35 ^- >1,5 0,18

Gardiothane 51 72 ^- ^- 43 580 ^- 1,6

Pellethane 2363 80A, 90A,

55D, 75D 3,4-13,8 11,7-34,5 35-48 350-600 23 ^.

Tecoflex 80A, 2,8 6,7 42 580-800 2 ^-

60D, 15 30,7 42 400 ^- ^-

70 D 15,4 24,7 32 380 ^- ^-

Rimplast PYUA 102 70A 28 Fix ^- 21 700 ^- 0,3

Rimplast PYUA 103 60A 13,8 Fix ^- 10 1000 ^- 0,3

Thoratec BPS-215 75A 10,3 ^- 38 700 ^- ^-

Thoratec BPS-105 70A 4,1 ^- 35 870 ^- ^-

Biothane 44D 12 ^- 18 136 ^- ^-

W wytwarzanych obecnie biomedycznych elasto

m erach uretanow ych kom ponentem oligom erycznym , tworzącym segmenty giętkie, jest najczęściej polioksy- tetram etylenoglikol (PTM G), um ożliw iający otrzym a

nie polim erów o bardzo dobrej w ytrzym ałości m echa

nicznej. N ie ulegają one w środow isku organizm u tak znacznej degradacji jak a w ystępow ała w stosow anych początkowo poliestrouretanach (np. z poliadypinianów glikolu butylenowego, etylenowego) w w yniku hydro

lizy w iązań estrowych, katalizow anej pod działaniem enzym ów i pow stającego kw asu [2,4]. Stwierdzono ponadto, że PU oparte na oligoeterach są bardziej od

porne niż poliestrouretany na rozwój drobnoustrojów (niektórych grzybów ) [7,8]. PU z poliestrów nie ule- gająnatom iast działaniu czynników utleniających, pod

czas gdy łańcuchy PTM G , podobnie ja k innych poli- eterów, m o gą ulegać degradacji oksydacyjnej, katali

zowanej kwasami, metalami lub czynnikami wewnątrz

kom órkow ym i; m iejscem ataku je st w ęgiel sąsiadują

cy z atom em tlenu w iązania eterow ego [4].

N iem iecka firm a B raun-M elsungen AG w ytw a

rza obecnie segm entow y elastom er uretanow y dla ce

lów m edycznych, o nazw ie „V ascugraftR” z poliestru typu poliwęglanu oraz alifatycznego diizocyjanianu. W publikacjach [9,10] podkreślono znakom itą stabilność hydrolityczną, term iczną i biologiczną tego elastomeru i jego bardzo dobrą w ytrzym ałość m echaniczną. Zale

tą poliw ęglanu jako kom ponentu PU jest to, że nie ule

ga on hydrolizie z w ydzieleniem kw asu katalizującego dalszy proces degradacji polim eru (w razie rozpadu

wiązania estrowego w ydziela się C 0 2).

Biom edyczne poliw ęglanouretany produkowane są także w Stanach Zjednoczonych (firma Corvita Cor

poration, Miami, FI). W yjściowy poliwęglanoglikol jest produktem kondensacji 1,6-heksanodiolu z cyklicznym węglanem etylenu (1).

Poliuretan Coretan™ otrzym uje się z tego ma- kroglikolu, 4,4'-diizocyjanianu difenylometanu (MDI) i 1,4 butanodiolu, a Coremer™ tej samej firm y jest poliuretanomocznikiem, powstałym przez przedłużanie prepolimeru m ieszaniną 1,4-diaminoheksanu i etyleno

diaminy. Corem er polecany jest do wytwarzania w yro

bów w ym agających szczególnie dużej odporności na wielokrotne zginanie (np. na membrany sztucznego ser

ca).

Badania trw ałości po długim czasie implantacji PU z poliwęglanodiolu są w toku, ale już obecnie okre

śla się je jako m ateriały bardziej biostabilne niż PU oparte na polieterolaćh [4].

Spośród diizocyjanianów stosow anych do otrzy

m yw ania biom edycznych PU w ykluczony został pra-

(6)

Stad & M tertty nr 6 wrzesień - październik 1997 TOM 1

wie całkowicie diizocyjanian toluilenu (TDI) (stosowa

ny jako jeden ze składników w syntezie PU Lycra), jako substrat silnie toksyczny w w arunkach syntezy (duża prężność par), ja k rów nież stw arzający m ożliw ość pow staw ania z niego kancerogennych diam in arom a

tycznych. Ponieważ również w wypadku najpowszech

niej stosow anego 4,4'-diizocyjanianu difenylom etanu (M DI) istnieje teoretycznie praw dopodobieństw o jego przejścia w kancerogenną diam inę p, p ’, niektóre fir

m y produkują biom edyczne PU (np. PU Tecoflex) z nasyconego analogu M D I tj. 4,4'-diizocyjanianu dicy- kloheksylometanu (oznaczanyjako SMDI, H|2 MDI lub HM D I) lub z diizocyjanianu 1,4-cykloheksanu (PU ChromoFlex™ , firm y Poly-M edica Ind.) [2,4,6]. D o

stępne w handlu m ieszaniny izom erów tych diizocyja- nianów (cis-cis, trans-cis, trans-trans) pozw alająjed- nakże otrzym ać PU o m niejszej w ytrzym ałości i niż

szej tem peraturze m ięknienia w porów naniu do PU z MDI. W zbogacenie cykloalifatycznego diizocyjanianu w izom er trans-trans popraw ia znacznie w łaściw ości fizyczne otrzym yw anych PU [ 11,12]. W kilku pracach z ostatnich lat stw ierdzono jednak, że PU w ytw arzane z użyciem diizocyjanianu alifatycznego sąbardziej po

datne na degradację m akrocząsteczek i pow ierzchnio

we spękania po im plantacji niż PU z arom atycznego M DI [4],

Stosowanie jak o przedłużaczy łańcucha PU dia

m in prow adzi do otrzym ania poliuretanom oczników (np. Biomer, Thoratec), które ze w zględu na w ysoką tem peraturę topnienia i m ożliw ość częściowej degra

dacji w czasie przetw órstw a ze stopu, przetw arzane są na wyroby m edyczne z roztworów, przez w ylewanie lub powlekanie. Liniow e PU przedłużane 1,4-butanodiolem lub innymi glikolami m ogą być również form o

wane m etodam i w łaściw ym i dla termoplastów. Z aletą stosow ania am inow ych przedłużaczy łańcucha jest, wynikająca z większej gęstości międzycząsteczkowych w iązań, w ięk sza w ytrzym ałość otrzym anych z ich udziałem poliuretanomoczników na wielokrotne zgina

nie w porów naniu do PU przedłużanych butanodiolem [4], natom iast odporność na biodegradację jest w ięk

sza w przypadku tych ostatnich PU [4],

Jak w ynika z pow yższego krótkiego przeglądu biom edycznych elastom erów uretanow ych nie m a do

tąd idealnego m ateriału poliuretanowego, spełniające

go całkow icie w arunek odpow iednich właściwości fi

zycznych i stabilności w w arunkach żywego organi

zmu. Dlatego też prace nad ulepszeniem elastom erów uretanow ych dla celów m edycznych, ich m odyfikacje są wciąż przedm iotem badań w ielu ośrodków.

Jak w szystkie m ateriały dopuszczone do stoso

w ania jak o m ateriały m edyczne, poliuretany przezna

czone do tego celu m uszą być pozytyw nie ocenione w w ym aganych badaniach „in vivo” i „in vitro” . W Sta

nach Zjednoczonych badania takie opisane s ą w 19-tej edycji U.S. Pharm acopia i w norm ach ASTM . Szereg norm i zaleceń opracow ała także Św iatowa O rganiza

cja N orm alizacyjna (ISO). W Polsce pojęcie m ateriału m edycznego określa precyzyjnie ustaw a z 10.X 1991 r. (Dz. U. N r 105 poz. 452); opracow any został rów nież projekt norm y PN -ISO 10993-1.

Modyfikacje poliuretanów biomedycznych

M odyfikacje PU w celu zw iększenia ich hemo- i biokompatybilności polegają na chemicznym lub fizycz

nym przyłączeniu grup lub substancji zm ieniających charakter hydrofilow y (lub hydrofobow y) ich p o wierzchni.

Jedna z m etod to przyłączanie do łańcucha PU grup alkilosulfonowych. Takie prace prowadzone były głównie przez Coopera i w spółpracow ników [13], z w ykorzystaniem reakcji (2).

(7)

TOM 1 wrzesień - październik 1997 2 (a a t< w ie* tf’ nr 6

(np. w opatrunkach naskóm ych lub podskórnych im plantach [2]).

Z w iększoną adsorpcję na pow ierzchni polim eru album iny z krwi, która przeciw działa osadzeniu się skrzepotwórczego fibrynogenu, uzyskuje się przez w bu

dowanie do m akrocząsteczek PU bocznych grup alki

lowych [1,17,18].

H andlow y biom edyczny PU „B IO M ER ” zaw ie

ra niewielki dodatek poli(diizopropyloam inoetylom e- takrylo-co-decylom etakrylanu) (M ethacrol 2138F), który powoduje obniżenie sorpcji białek na pow ierzch

ni elastom eru [5],

W ydłużenie czasu w ykrzepiania się krwi na p o wierzchni poliuretanów osiągano także przez m odyfi

kację ich powierzchni innymi niż heparyna związkam i biologicznie czynnymi np. lum brokinazą(tj. enzymem fibrynolitycznym w ydzielanym z jedw abników ) [19], lub dipirydam olem [2 0] inhibitującym aktyw ację pły

tek krwi. Inne próby modyfikacji PU obejmowały w pro

w adzenie na ich pow ierzchnię prostaglandyny [1] lub komórek śródbłonka (endothelium) [ 1 ] przez bezpośred

nie w tłaczanie w p orow atą strukturę polim eru, albo poprzez zwiększenie przyczepności wskutek przyłącze

nia do PU krótkiego łańcucha peptydow ego [21] lub naniesienie w arstw y w ęgla [2 2].

M etody zw iększające przew odność poliuretanu np. sprzęganie go z czwartorzędowym i zasadami am o

niowymi, ewentualnie wytwarzanie elektretów o ujem nym znaku ładunku pow ierzchniow ego lub w prow a

dzenie do m asy PU pirolitycznego w ęgla - prow adzą także do zm niejszenia trom bogenności pow ierzchni polimeru. Te i inne m etody modyfikacji PU w celu uzy

skania całkowicie antytrombogennych m ateriałów pro

wadzone są szeroko przede wszystkim w Stanach Zjed

noczonych (Lyman, Lelah), w e Francji (Józefow icz) i w Japonii (Okano).

W celu m odyfikacji właściwości biom edycznych PU łączy się je także z innymi polim eram i. Np. Hydro- m er pow staje przez interpolim eryzację m akroizocyja- nianu (prepolim er PU) z w ielkocząsteczkow ym hy

drofitow ym poli-N -w inylopirolidonem ; m ateriał ten charakteryzuje m ała adhezja płytek krwi i m ała trom - bogenność i m oże on być użyteczny do pokryw ania kateterów, do w ytw arzania opatrunków na rany opa

rzeniowe i szwów medycznych. Biomedyczny Rimplast (p. tabela 1) w ytw arzany je st jak o produkt interpoli- m eryzacji oligom erycznego siloksanu zakończonego ugrupowaniem w inylowym w m atrycy żywicy poliure

tanowej (Tecoflex) [2], M ieszaniny fizyczne poliureta

nu z biodegradow alnym poli(L-laktydem ) użyto do wytw arzania protez naczyń krw ionośnych i sztucznej

skóry, pozytyw nie ocenionych w badaniach na zw ie

rzętach [2],

Badania własne

W badaniach nad PU dla celów m edycznych pro

w adzonych w K atedrze Technologii Polim erów Poli

techniki Gdańskiej postanow iliśm y sprawdzić przy

datność jako biom ateriałów elastom erów uretanoim i- dowych (I), otrzym ywanych z oligooksytetram etyle- noglikolu (PTM G), M DI i dibezw odnika kwasu piro- melitowego.

W naszych wcześniejszych badaniach stw ierdzi

liśmy, że kopolim ery takie charakteryzuje zwiększona w porównaniu do typowych PU separacja giętkich seg

mentów polieterouretanowych i sztywnych segmentów poliim idu aromatycznego, co powinno sprzyjać hemo- kom patybilności. Same poliim idy arom atyczne (np.

Kapton) znane są z dobrej tolerancji przez organizmy żywe i stosowane do celów m edycznych [23].

Podjęcie tych badań wydaw ało się tym bardziej uzasadnione, że znana jest bardzo dobra biokom paty- bilność polim erów modyfikowanych poli-N-winylopi- rolidonem czy analogiem prostoglandyny BW 245, a więc dodatkami zawierającymi podobnie jak poliimidy arom atyczne układ heterocykliczny z azotem i grupą karbonylową. Otrzym aliśm y poli(uretanoim idy) (PUI

1,2,3, tabela 3) o właściwościach wytrzymałościowych zbliżonych do znanych biom edycznych poliuretanów ja k Biomer, Pellethane, Thoratec.

Przy większej zawartości segmentów poliim ido- wych (i większej twardości) PUI odróżnia od tych poli

uretanów wyższy m oduł elastyczności przy m ałym wydłużeniu.

B adania w ytrzym ałości folii PUI o tw ardości 8 6°ShA na wielokrotne zginanie, na aparacie Bally, wykazały, że wytrzym uje ona w tem peraturze pokojo

wej 5,2 m in cykli [24], tj. więcej niż Biom er Ext G (przetwarzany przez wytłaczanie) (1,5 min cykli) i Te

coflex 80 A (2 min cykli) [2], choć znacznie mniej niż Biom er przetw arzany z roztw oru i Pellethane [2].

W ykazaliśm y [24], że PUI spełniają w ym agania stawiane m ateriałom biom edycznym pod względem odporności na działanie sterylizujące tlenku etylenu, odporności na hydrolizę w gorącej wodzie i na ekstrak-

(8)

S tete to tH e ru f nr 6 wrzesień - październik 1997 TOM 1

Tabela 3. Właściwości fizyczne poli(uretanoimidów) i

Właściwości

Poli(uretanoimidy) Poli(uretanoamidoimid)

1 2 3 4

Twardość, °ShA 86 91 89 80

Moduł początkowy przy 10 % wydłużenia, MPa 20,4 49,3 84 _11,7

Naprężenie przy 100 % wydłużenia, MPa 6,7 10,3 11,2 6,2

Naprężenie przy 300 % wydłużenia, MPa 12,6 17,8 19 13,5

Wytrzymałość na rozciąganie, MPa 33,2 36,2 42,6 46,8

Maksymalne wydłużenie względne, % 720 580 480 580

Odporność na wielokrotne zginanie, min cykli 5,2 (aparat Bally) >28 (aparat de Mattia)

Absorpcja wody, po 24 h, % 1 0,9 - 1,0

cję heksanem , która stosow ana jest w badaniach m ate

riałów polim erow ych w zastępstw ie badania wpływu tłuszczów.

W ybrane PU I w ykazały kom patybilność z krw ią zbliżoną do C uprophanu tj. modyfikowanej błony ce

lulozowej stosowanej w procesach dializy krwi [24].

Próbki folii poli(uretanoim idow ej) im plantowane w organizmie zw ierzęcym (szczury), podczas 14 dni nie powodow ały zm ian patologicznych i na podstawie ob

serwacji w skali m akro- i m ikroskopowej ocenione zo

stały wstępnie w Zakładzie Chirurgii Eksperym ental

nej i Badania Biom ateriałów Akadem ii M edycznej we W rocławiu jak o m ateriały o dobrej biokom patybilno- ści [24],

W dalszych badaniach opracow aliśm y otrzym y

wanie i właściwości folii poli(uretanoamidoimidowych) (PUAI, II), z użyciem , obok PTM G i M DI, bezw odni

ka kwasu trim elitow ego [25].

Pod w zględem w ytrzym ałości na rozciąganie PUAI zaw ierający 40 % segm entów poliam idoim ido- wych jest zbliżony do znanych biom edycznych poli

uretanów, a od poli(uretanoim idu) o podobnej zaw ar

tości segmentów sztywnych odróżnia się m niejszą twar

dością i korzystnie m niejszym m odułem sprężystości przy m ałym w ydłużeniu (tabela 3, p. 1,4). Obserwacja odporności PU AI na w ielokrotne zginanie na aparacie de M attia wykazała, że w ytrzym ują one bez zmian po

nad 28 m in cykli (dłużej nie badano).

Badania w pływ u obecności ugrupowań am ido

wych obok uretanow ych i im idow ych na kom patybil

ność z krw ią są obecnie prowadzone, podobnie jak po

przednio dla PUI, w Zakładzie Patofizjologii Akade

mii M edycznej w Bydgoszczy.

Zastosowanie biomedycznych elastomerów uretanowych

Znane zastosow ania biom edycznych poliureta

nów, przedstaw ione w [1,2,26,27] obejmują:

- protezy lewej kom ory serca,

- protezy całkow icie sztucznego serca, - protezy naczyń krwionośnych, - protezy przełyku i tchawicy, - izolacje stym ulatorów serca,

- katetery i balony w ew nątrz aortalne, - pom py krwi,

- protezy piersi,

- opatrunki ran i opatrunki ortopedyczne,

- m em brany i przewody do dializy i do oksygenatorów, - łaty osierdziowe z m ikro w łókniny poliuretanowej, - powłoki i m em brany w sto m ato lo g ii,

- m ateriały adhezyjne.

Tak liczne możliwości zastosowania poliuretanów w ynikają z szerokiej w ariantow ości ich właściwości uzyskiw anych ju ż w samej syntezie tych polimerów, ich bardzo dobrych w łaściw ości m echanicznych i do

brej stabilności. Badania nad ulepszeniem poliureta

nów dla celów m edycznych, m.in. nad w yelim inow a

niem zjaw iska kalcyfikacji ich pow ierzchni po długo

trwałym kontaktowaniu się z żyw ą tkanką, są obecnie kontynuowane.

(9)

TOM 1 wrzesień - październik 1997 SfaAĆM K& itf' nr 6

Literatura

1. Lelah M.D., Cooper S.L.: Polyurethanes in Medi

cine, CRC Press, Boca Raton, FL, 1986

2. Gogolewski S.: Colloid Polymer Sci. 1989, 267. 9, 757

3. Szycher M., Poirier V.L.: Ind.Eng.Prod.Res.Dev.

1983, 22, 588

4. Pinchuk L.: J.Biomater.Sci.Polymer Edn. 1994, 6, 3, 225

5. Freij-Larsson Ch., Kober M., WesslenB., Willquist E., Tengvall P: J.Appl. Polym.Sci. 1993, 43., 815 6. Szycher M.: Materiały z międzynarod. konferencji

„ Biomaterials fo r the 1990s”. Polyurethanes, Si

licones and Ion Beam Modification Techniques, Technomic Publishing AG, Basel, 1990

7. Darby R.T., Kaplan A.M.: Appl.Microbiol. 1968, 16, 900

8. Dyckhoff H., Pommer E.H.: Kunststoffe 1987. 77.

597

9. Zang Z., King M. W, Marois Y, Guidoin R.: Bioma

terials 1994, 11, 13, 1099

10. Zang Z., King M., Guidoin R., Therrien M., Doil- lon Ch., Diehl-Jones W.L., Huebner E.: Biomate

rials 1994, 1 1 14, 1129

11. Seneker S.D., BornL., Schmelzer H.G., Eisenbach C.D., Fischer K : Coll. Polym.Sci. 1992,213, 543 12. Joseph M.D., Savina M.R., Harris R.F.: J.Appl.Po

lym.Sci. 1992, 44, 1125

13. Silver J.H., Lin H.B., Cooper S.L.: Biomaterials 1993,1A, 834

14. Freij-Larson Ch., Wesslen B.: J.Appl.Polym.Sci.

1993, 53, 345

15. Han D.K., P ark K.D., Ryn G.H.: J.B io- med.Mat.Res. 1996, 33 23

16. Marconi W, Martinelli A., Piozzi A., Zane D.:

Biomaterials 1992, 1 2 432

17. Chinn J.A., Posso S.E., Horbett T, Ratner B.D.:

J.Biomed.Mat.Res., 1992, 23, 757

18. Lim F, Yu X.H., Cooper S.L.: Biomaterials 1993, 14, 537

19. Ryn G.H., Park S., Kim M.: J.Biomed.Mat.Res.

1995, 23, 403

20. AldenhoffY.B.J, K ooleL.H : ibid 1995,23 917 21. Lin H.B., Garcia-Echeverria C., Asakura S. : Bio

materials 1992,J2 905

22. Kaibara M., Kawamoto Y, Yanagida S., Kawaka- m iS.: ibid 1995, 16, 1229

23. Charles H.K., Massey J.T., Mouncastle V.B.: w

„Polyimides” t.II, wyd. K.L.Mittal, Plenum Press,

New York 1984, 1139

24. Masiulanis B., Całusiński G., Marjański W, Kot- schy M., Jurkowski P, GóralczykB., Staniszewska- Kuś J., Solski L., K rzem ień-D ąbrow ska A.:

J.Appl.Polym.Sci. 1995, 53, 1441

25. MasiulanisB., Całusiński G., HaponiukJ.T.: J.Bio- mat.Appl. 1997, 11,296

Elastomery uretanowe - stosowane jako biomateriały