W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Mogą Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej "Polityce prywatności Cookies"

Rozumiem i zgadzam się

REKLAMA

Tworzywa w medycynie: stworzyć sztuczne serce

2014-11-06

Tworzywa sztuczne nie tylko czynią życie wygodniejszym, co jest efektem ich wykorzystywania np. w przemyśle opakowaniowym lub motoryzacyjnym, ale często je przedłużają lub wręcz ratują, czego potwierdzeniem przeznaczenie tworzyw do celów medycznych. Przykład warty odnotowania w kontekście wpływu tworzyw na współczesną medycynę stanowi realizowany w Polsce projekt sztucznego serca

Mniejsza skala produkcji, ale wyższa marża
Aktualnie światowy rynek tworzyw sztucznych o przeznaczeniu medycznym szacowany jest na ok. 11,1 mld dol., a jego wzrost do końca tej dekady następować ma w średniorocznym tempie wynoszącym 5,2%. W największym stopniu rynek surowców dla branży medycznej zdominowany jest przez włókna i tworzywa, na które przypada 85% wszystkich wykorzystywanych w tym obszarze materiałów. Ilościowo w samej tylko Europie jest to 1,11 mln ton (na świecie ok. 4,2 mln ton). Najpopularniejszymi typami „medycznych” tworzyw są polichlorek winylu i polipropylen, których udział w omawianej kategorii sięga 55%. Drugą grupę materiałów stanowią elastomery (blokowe kopolimery styrenowe (SBC), lateks, TPU TPV, TPO) z przetwórstwem na poziomie 166 tys. ton rocznie. Całości od niedawna dopełniają tworzywa biodegradowalne (6,8 tys. ton rocznie).

Przykładowo, dwa lata temu dopuszczono do użytku pierwsze wykonane z nich stenty. Są one wykorzystywane w trakcie zabiegu angioplastyki do udrożnienia naczynia wieńcowego. Stały się alternatywą dla stentów ze stali lub stopu chromowo-kobaltowego. W przeciwieństwie do nich zmniejszają bowiem ryzyko uszkodzenia tętnicy, wywołania stanu zapalnego i ponownego zawężenia naczynia. Ponadto skracają okres zażywania przez pacjentów leków rozrzedzających krew. Po upływie dwóch lat mają się rozłożyć do dwutlenku węgla i wody i w ten sposób być wydalonymi z organizmu.

Największy wzrost zużycia tworzyw dla celów medycznych przewiduje się w ciągu najbliższych czterech lat dla poliwęglanu i ABS (ponad 8% rocznie). Z medycznego punktu widzenia bardzo ważne jest, że poliwęglany cechują się zgodnością z normami dotyczącymi biozgodności, co oznacza, że mogą być stosowane do bezpośredniego lub pośredniego kontaktu z substancjami endogennymi (krew, tkanki, zębiny oraz inne płyny ustrojowe). Choćby zatem dlatego jest to materiał wykorzystywany do produkcji narzędzi chirurgicznych i naczyń do przechowywania krwi oraz innych płynów ustrojowych.

Drugie serce, drugie życie
Przykład bezspornie warty odnotowania w kontekście analizy wpływu tworzyw sztucznych na współczesną medycynę – tym bardziej, że jego autorstwo jest polskie – stanowi projekt sztucznego serca. By zrozumieć jego znaczenie należy zapoznać się z liczbami.

W naszym kraju z rozpoznaną niewydolnością serca żyje ok. miliona osób. W ciągu 20 lat liczba ta wzrośnie o 25%. Rocznie choroba ta odpowiada za ponad 60 tys. zgonów. Rosnąca liczba chorych z niewydolnością serca skutkuje więc coraz większą liczbą pacjentów zakwalifikowanych do leczenia transplantacyjnego oraz wpisanych na listę oczekujących na przeszczep. Sytuacja powoduje zatem rosnące zainteresowanie stosowaniem nowoczesnych technologii w leczeniu niewydolności serca w postaci protez serca.

W 2012 r. zakończono realizację programu „Polskie Sztuczne Serce”. Skupił on naukowców, których celem było opracowanie protezy serca. Zadania podjęło się ponad 20 zespołów badawczych z najważniejszych krajowych instytucji naukowo – badawczych i klinik kardiochirurgicznych.

Zrealizowano 29 działań badawczych i wdrożeniowych. W rezultacie powstała rodzina polskich protez serca, która obejmuje pozaustrojową i pulsacyjną protezę serca, częściowo wszczepialną pulsacyjną pompę wspomagania serca, częściowo wszczepialną wirową odśrodkową pompę wspomagania serca, częściowo wszczepialną wirową osiową pompę wspomagania serca oraz całkowicie wszczepialną pompę wspomagania serca. Jest ona przeznaczona do wspomagania pracy serca w warunkach szpitalnych i pozaszpitalnych na czas kilkunastu miesięcy.

W ramach projektu, oprócz sztucznego serca, opracowano również nowe materiały i technologie, jak choćby wyjątkowo dobrze nadający się do produkcji sztucznych komór poliuretan. To wszystko ogromny sukces, który czeka teraz na komercjalizację.

By kilkuletnie działania skończyły się pomyślnie musiano sfinalizować wiele szczegółowych prac. Przykładowo w Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie wytworzono kopoliester termoplastyczny i kopoliester termoplastyczny modyfikowany węglem.

Opracowana technologia polegała na stworzeniu na drodze polikondensacji tworzywa PET oraz dimeru kwasu tłuszczowego (DLA) nowego biomateriału w postaci kopoliestru termoplastycznego. Odpowiedni dobór stosunku segmentów sztywnych i giętkich polimeru w trakcie procesu pozwolił na modelowanie twardości, współczynnika płynięcia, wytrzymałości na odkształcenia cykliczne oraz innych parametrów biomateriału dla uzyskania własności mechanicznych podobnych jak dla poliuretanów stosowanych w konstrukcjach implantów sercowo – naczyniowych. Posiadana obecnie przez ZUT aparatura technologiczna pozwala na wyprodukowanie 1 kg materiału w pojedynczej szarży.

W Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie doprowadzono do powstania nanowarstw związków tytanu i węgla na podłożu poliuretanowym hybrydową metodą laserową. Technologia umożliwia wytwarzanie na powierzchni polimeru wielowarstwowych struktur manometrycznych związków tytanu i węgla.

Na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej wytworzono polimerowe pokrycia przeciwzakrzepowe na podłożu poliuretanowym. Podstawą tej technologii jest nowatorska metoda szczepienia wolnorodnikowego poliwinylopirolidonu (PVP) na powierzchni poliuretanu. Pozwala ona na otrzymywanie szczelnych i jednorodnych warstw hydrożelowych o regulowanej grubości i regulowanej gęstości usieciowania.

Na tym samym wydziale Politechniki Warszawskiej wykonano zadanie modyfikowania powierzchni poliuretanów z wykorzystaniem nanokrzemionki. Wymienione działanie polegało na modyfikacji podłoża poliuretanowego stosowanego do wytwarzania protez serca za pomocą nanocząstek krzemionki w obecności aminokwasów (arginina i cysteina). Jak przekonują odpowiedzialni za ten fragment prac, wykorzystanie omawianej technologii celem ograniczenia ryzyka wykrzepiania krwi w protezach serca zrobionych z poliuretanu stanowi bardzo interesujący kierunek badań nad rozwojem protez serca.

Z kolei Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN w Zabrzu podjęło się opracowania polimerowych powłok przeciwzakrzepowych na bazie PHB. Operacja polegała na nanoszeniu na powierzchnię poliuretanu roztworu chloroformu i taktycznego poli-3-hydroksymaślanu (a-PHB) lub mieszaniny a-PHB i naturalnego poli-3-hydroksymaślanu (nPHB) lub biokopoliestru poli-3-hydroksymaślanu i kwasu 3-hydroksyheksanowego (PHBH).

Wreszcie Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Z. Religi w Zabrzu opracowała zastawkę dyskową dla potrzeb konstrukcji pulsacyjnych protez serca, pozaustrojowych i implantowalnych. Pierścień zastawki powstał z tytanu, natomiast dysk z tworzywa sztucznego, jakim jest polieteroeteroketon (PEEK).

Po zakończeniu prac badawczo – rozwojowych, następujący po nich etap wytwarzania właściwego produktu wymaga współpracy środowiska badawczego i technologicznego. Powstała więc platforma technologiczna grupująca przedsiębiorstwa zaangażowane w różne fazy prowadzące do wytworzenia protez serca. Ważnym filarem tej platformy jest m.in. spółka Wadim Plast, która metodą wtrysku wysokociśnieniowego wytwarza twarde elementy zastawek i protez serca z biozgodnych polimerów oraz metodą obróbki skrawaniem podzespoły protez wykonane z tytanu.

W skład platformy wchodzi także dwóch zagranicznych dostawców tworzyw sztucznych. Koncern DSM Biomedical dostarcza poliuretany dla wytwarzania elementów miękkich i twardych protezy, a firma Invibio biozgodne tworzywa do produkcji dysków zastawki mechanicznej oraz elementów pompy wirowej.

Na bazie głównego projektu zainicjowano już dalsze programy badawcze, z których jeden, dotyczący opracowania innowacyjnych elastomerowych biomateriałów polimerowych dla potrzeb systemów wspomagania pracy serca, realizowany jest przez konsorcjum kierowane przez Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny. Celem tych prac będzie opracowanie biomateriałów na bazie tworzywa PET, modyfikowanych kwasami tłuszczowymi i witaminą E oraz przeprowadzenie badań ich czystości chemicznej i biozgodności o potencjalnym zastosowaniu w konstrukcji systemów wspomagania serca.