کاربردهای انواع پلیمرها در لوازم پزشکی
مقاله حاضر به مناسبت زادروز حکیم بزرگ بوعلی سینا و روز پزشک به ذکر کاربردهای پلیمرهای مصنوعی از جمله پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پلی‌یورتان‌ها، پلی‌آمیدها، پلی‌آکریلات‌ها، پلی‌تترافلورواتیلن، سیلیکون‌ها پلی‌استال و...، پلیمرهای مصنوعی زیست‌تخریب‌پذیر مانند پلی‌لاکتیک‌اسید، پلی‌گلیکولیک‌اسید، پلی‌کاپرولاکتون و... و پلیمرهای طبیعی در حوزه پزشکی می‌پردازد.
پلیمرها به دلیل تنوع بسیار زیاد و نزدیک بودن خصوصیات شیمیایی و مکانیکی برخی از آن‌ها به بافت‌های بدن، بیش از سایر مواد در کاربردهای پزشکی موردتوجه قرار گرفته‌اند. ازاین‌رو شناخت ساختار، ویژگی‌ها و خواص پلیمرها همچنین کاربردهای آن‌ها در حوزه زیست‌مواد (Biomaterials) از اهمیت بالایی برخوردار است. زیست‌مواد، موادی با ریشه مصنوعی یا طبیعی هستند که برای جای‌گزینی نسوج ازدست‌رفته بدن، ترمیم اعضای ازکارافتاده و یا تکمیل عملکرد بافتی مورداستفاده قرار می‌گیرند که به هر دلیلی قادر به انجام‌وظیفه خود نباشند. ضمن این که باید حتماً در تماس مستقیم با سلول‌های زنده بدن بوده و با سامانه بیولوژیکی بدن برهم‌کنش داشته باشد. وسایل قلبی - عروقی، وسایل جای‌گزین بافت‌های نرم، سامانه‌های رهایش کنترل شده دارو و داربست‌های مهندسی بافت، از جمله این کاربردها هستند. رگ‌های مصنوعی، دریچه‌های قلبی، قلب مصنوعی، کاشتنی‌های بدن، غضروف، کامپوزیت‌های دندانی، عدسی‌های تماسی، عدسی‌های داخل چشمی، اجزای دستگاه‌های اکسیژن‌رسان، دیالیز و تصفیه خون، پوشش مواد فلزی و سرامیکی، قرص‌ها و کپسول‌های دارویی، نخ‌های بخیه، چسب‌ها و... را می‌توان به‌عنوان نمونه‌ای از کاربرد مواد پلیمری در پزشکی برشمرد.
مقاله حاضر به مناسبت زادروز حکیم بزرگ بوعلی سینا و روز پزشک به ذکر کاربردهای پلیمرهای مصنوعی از جمله پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پلی‌یورتان‌ها، پلی‌آمیدها، پلی‌آکریلات‌ها، پلی‌تترافلورواتیلن، سیلیکون‌ها پلی‌استال و...، پلیمرهای مصنوعی زیست‌تخریب‌پذیر مانند پلی‌لاکتیک‌اسید، پلی‌گلیکولیک‌اسید، پلی‌کاپرولاکتون و... و پلیمرهای طبیعی در حوزه پزشکی می‌پردازد.
پلیمرهای مصنوعی (Synthetic Polymers) پلی‌اتیلن (Polyethylene)
پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) به دلیل مقاومت سایشی زیاد آن، خزش کم و ضریب اصطکاک پایین به طور گسترده‌ای در کاشتنی‌های ارتوپدی نظیر مفاصل ران و زانو به کار می‌رود. در حال حاضر تحقیقات زیادی در ارتباط با بهبود خواص سایشی UHMWPE با استفاده از عوامل شبکه‌ای کننده خاص نظیر ویتامین E، پرتودهی و تابش پلاسما یا پوشش‌دهی با مواد سرامیکی در حال انجام است. اعتقاد بر این است که ذرات پلی‌اتیلنی جدا شده از کاشتنی، می‌تواند باعث افزایش حجم استخوان گردد.
پلی‌پروپیلن (Polypropylene)
از این پلیمر در پروتزهای مفاصل انگشت و نخ‌های بخیه استفاده می‌شود. مش‌های پلی‌پروپیلنی در ترمیم دیواره شکم در بیماری فتق به کار می‌رود، هر چند که هنوز هم اثرات جانبی این بیماری حل نشده است. علاوه بر این غشاهای پلی‌پروپیلنی در جداسازی سلول‌ها مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته‌اند.
پلی‌آکریلات (Polyacrylate)
از جمله خصوصیات PMMA، عبوردهی بسیار بالای نور (92%)، شاخص پراکندگی بالا، خواص ترشوندگی عالی، زیست‌سازگاری بالا و سختی و شکنندگی بیش‌تر در مقایسه با سایر پلیمرها باید اشاره کرد. این پلیمر در لنزهای تماسی سخت (Hard Contact Lenses)، لنزهای داخل چشمی (Intraocular Lenses) سیمان استخوان و مواد ترمیمی دندان استفاده می‌شود. در این میان پلی‌سیانوآکریلات‌ها به جهت خواص چسبندگی مناسب اهمیت زیادی یافته‌اند. برخی از آن‌ها در ترکیب چسب‌های زیستی برای ترمیم اجزای کره چشم مثل قرنیه و شبکیه بررسی شده‌اند. فیلم‌های پلی‌سیانوآکریلاتی نیز به‌عنوان پوست مصنوعی در پیوندهای عروقی و درمان سوختگی‌های شدید مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. پلی‌آکریلونیتریل سمی و اشتعال‌زا بوده و بنابراین استفاده از آن در پزشکی رایج نیست. پلی‌آکریل‌آمید غیرسمی است؛ ولی مونومر آن می‌تواند بر روی سلول‌های عصبی تأثیر منفی بگذارد. این پلیمر جاذب آب بوده و می‌تواند تشکیل ژل دهد. از پلی‌آکریل‌آمید در تهیه لنزهای تماسی نرم، حجم‌دهنده‌ها، ماهیچه‌های مصنوعی، بیوسنسورها، سامانه‌های رهایش داروی هوشمند و... استفاده شده است.
پلی‌استایرن (Polystyrene)
از جمله خصوصیات پلی‌استایرن می‌توان به شفافیت خوب و بی‌رنگ بودن، راحتی ساخت، پایداری حرارتی، وزن مخصوص پایین و مدول بالا اشاره کرد. این پلیمر به‌صورت عمومی در ساخت ظروف کشت سلول، بطری‌های استوانه‌ای، محفظه‌های خلأ و فیلترهای قیف‌دار کاربرد دارند. آکریلونیتریل بوتادی‌ان استایرن (ABS) در ست‌های تزریق و دیالیز خون، انبرک‌ها (بست‌ها)، کیت‌های تشخیصی و... استفاده می‌شود.
پلی‌وینیل‌کلراید (Polyvinyl Chloride)
ماده‌ای بسیار پرمصرف و مقاوم در برابر آب‌وآتش به شمار می‌رود. این پلیمر در تهیه ست تزریق خون، ست سرم و... کاربرد دارد.
پلی‌وینیل‌الکل (Polyvinyl Alcohol)
یکی از پرمصرف‌ترین پلیمرهای محلول در آب است و مونومر آن در حالت پایدار وجود ندارد. مزایای این هیدروژل زیست‌سازگاری بالا، عدم سمیت، عدم سرطان‌زایی، سادگی تهیه، دارابودن محیط آب‌دار و توانایی محافظت از سلول‌ها، داروها، پپتیدها و پروتئین‌ها، توانایی رساندن مواد غذایی به سلول‌ها و انتقال محصولات ایجاد شده توسط آن‌ها امکان اصلاح به کمک لیگاندهای چسبندگی سلولی. محققان بسیاری از PVA جهت تهیه غضروف مصنوعی، منیسک زانو یا دیسک بین مهره‌ای بهره برده‌اند. ترکیب مواد زیادی با پلی‌وینیل الکل برای کاربردهای پزشکی بررسی شده است. پلی‌وینیل‌الکل و پلی‌آکریلیک‌اسید در سامانه‌های حساس به pH، پلی‌وینیل‌الکل و ژلاتین جهت تهیه پچ یا غشا، پلی‌وینیل‌الکل و ابریشم جهت ساخت نخ بخیه، پلی‌وینیل‌الکل و پلی‌وینیل پیرولیدین در مهندسی بافت، ترکیب پلی‌وینیل‌الکل با کلاژن و غشاء آمنیون در تهیه قرنیه مصنوعی، پلی‌وینیل‌الکل و نشاسته به‌عنوان غشا دیالیز و ترکیب پلی‌وینیل‌الکل با پلی‌اتیلن‌گلیکول به‌منظور کاهش جذب سطحی پروتئین از آن جمله است. استفاده از ترکیب پلی‌وینیل‌الکل و کیتوسان تا کم‌تر از 50% PVA در اصلاح سطح کاتترهای پلی‌یورتانی باعث چسبندگی پروتئین‌ها و فعالیت میکروب‌ها می‌گردد. همچنین از این کامپوزیت در کاربردهای پانسمان زخم نیز می‌توان بهره برد. ترکیب پلی‌وینیل‌الکل و پلی‌کاپرولاکتون در کاهش تجمع سلول‌های التهابی مؤثر بوده است. از ترکیب PVA و گلیسرول به‌منظور افزایش خون‌سازگاری بهره برده شده است که طی آن با افزایش گلیسرول در ترکیب، به دلیل ممانعت از تماس مستقیم PVA با خون، چسبندگی و جذب پلاکت‌ها به سطح کاهش می‌یابد. از جمله مشکلاتی که محققان در استفاده از پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر آب‌گریز نظیر پلی‌کاپرولاکتون یا پلی‌لاکتیک - گلیکولیک اسید اشاره نموده‌اند شناور ماندن ساختار پلیمر در محیط کشت سلولی است. علاوه بر این به دلیل عدم جذب محیط کشت توسط داربست، قسمت زیادی از تخلخل‌ها خالی خواهند ماند. این در حالی است که دست‌یابی به توزیع یکنواخت سلول‌های کاشته‌شده درون داربست اهمیت زیادی دارند. یکی از روش‌های غلبه بر این مشکل استفاده از پلیمرهای آب‌دوستی نظیر پلی‌وینیل‌الکل یا پلی‌اتیلن‌اکساید در ترکیب است. از کامپوزیت پلی‌وینیل الکل و پلی‌لاکتیک - گلیکولیک‌اسید و کیتوسان داربست زیست‌تخریب‌پذیری برای مهندسی بافت ساخته شده است که زیست‌سازگاری مناسبی از خود نشان داده است. همچنین از ترکیب PVA-PLGA نانوذراتی برای رهایش داروی پاکلیتاکسل جهت درمان گرفتگی شریان بهره برده شده است.
پلی‌آمید (Polyamide)
این مواد که به نایلون معروف هستند در نخ‌های بخیه، رگ‌های مصنوعی استفاده می‌شوند که از جمله مهم‌ترین کاربردهای موفق این مواد در زمینه پزشکی هستند. نایلون‌ها جاذب رطوبت هستند و استحکام خود را در موقع کاشت در محیط درون‌تنی از دست می‌دهند. مولکول‌های آبی که به ناحیه بی‌شکل آن حمله می‌کنند به‌عنوان نرم‌کننده عمل می‌نمایند. آنزیم‌های پروتئولیتیک نیز از طریق حمله به گروه آمید در هیدرولیز پلیمر نقش مهمی دارند. پروتئین‌ها نیز حاوی گروه پپتیدی (آمید) در طول زنجیره‌های مولکولی خود هستند و آنزیم‌های پروتئولیتیک می‌توانند به آن‌ها حمله کنند.
پلی‌اتیلن‌ترفتالات (Polyethylene Terephthalate)
پلی‌استرهایی مانند پلی‌اتیلن‌ترفتالات (PET) به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی بی مانند، به طور گسترده‌ای در کاربردهای پزشکی مورداستفاده قرار می‌گیرند. PET پلی‌استری است که از آن در ساخت پیوند رگ مصنوعی، نخ‌های بخیه و توری‌ها، دریچه‌ها محفظه کاتتر و فیلتر استفاده می‌گردد.
پلی‌استال (Polyoxymethylene)
یک پلی‌اتر است و معمول‌ترین پلی‌استال‌ها از فرم‌آلدئید به‌دست‌آمده که به نام پلی‌اکسی‌متیلن شناخته می‌شود. پلی‌استال معمولاً چقرمه، محکم، با مقاومت بالا نسبت به خزش، خستگی و مواد شیمیایی هستند و ضریب اصطکاک کمی دارد. از پلی‌استال‌ها در تحقیقاتی نظیر تهیه مفاصل زانو یا ران و لت دریچه قلب مصنوعی استفاده شده است.
پلی‌سولفون (Polysulfone)
پلی‌سولفون خانواده‌ای از پلیمرهای گرمانرم است. از این مواد به دلیل چقرمگی و پایداری در دماهای بالا شناخته می‌شوند. پایداری حرارتی بالا به دلیل گروه‌های جانبی حجیم، بی‌شکل، پایداری شیمیایی، عدم پایداری در مقابل حلال‌های قطبی نظیر کتون‌ها، شفافیت، استحکام بالا، انعطاف‌پذیری و مقاومت ضربه خوب به دلیل حضور اکسیژن و سولفور در زنجیر اصلی مولکولی، خزش کم و استحکام کششی بالا از خصوصیات مهم این پلیمر محسوب می‌شود. تهیه غشاها از پلی‌سولفون با خواص تکرارپذیر و اندازه تخلخل قابل‌کنترل به‌سادگی امکان‌پذیر است. از این غشاها در کاربردهای جداسازی خون (همودیالیز) آب یا مواد زائد استفاده می‌شود. همچنین به دلیل مقاومت حرارتی بالا، پلی‌سولفون در کاربردهایی که نیاز به سترون شدن تحت بخار و اتوکلاو باشد، گزینه مناسبی محسوب می‌شود.
پلی‌کربنات (Polycarbonate)
این گروه از مواد در مواقعی که نیاز به مقاومت ضربه بالا، مقاومت حرارتی زیاد و خواص نوری مناسب باشد، به کار می‌روند. در عدسی‌ها، عینک‌های طبی و ایمنی و... از پلی‌کربنات‌ها استفاده می‌شود. پلی‌کربنات را می‌توان با اکثر روش‌ها (گاز اتیلن اکساید، پرتوگاما و اتوکلاو) سترون نمود. از این ماده در تهیه محفظه‌های مقاوم برای غشاهای دستگاه همودیالیز، دستگاه اکسیژن‌رسان، کاتترها، لوله‌ها، وسایل در تماس با خون و تزریق، بهره برده می‌شود.
سیلیکون (Silicone)
مهم‌ترین خواص سیلیکون‌ها شامل پایداری حرارتی، آب‌گریزی، مقاومت بالا در برابر اکسیژن، اَزُت و نور خورشید، انعطاف‌پذیری، عایق الکتریکی، ضد چسبنده، غیرسمی، واکنش شیمیایی کم و نفوذپذیری بالای گاز است. سیلیکون‌های تک‌جزئی با جذب رطوبت از محیط، شکل می‌گیرند. به دلیل خصوصیات این ماده، از آن در تهیه وسایل کمک شنوایی جهت جلوگیری از نفوذ اصوات استفاده می‌شود. در کاربردهای پزشکی به طور وسیعی از ترکیبات سیلیکونی بهره برده می‌شود. به‌عنوان‌مثال در لوله‌های دیالیز و انتقال خون، ریه‌های مصنوعی، کاتترها، کاشتنی‌های مصنوعی در بدن، وسایل جلوگیری از بارداری، گونه مصنوعی، عدسی‌های مصنوعی و... کاربرد دارند. درگذشته از سیلیکون برای تهیه مسدودکننده دریچه قلب مصنوعی توپ و قفس استفاده می‌شد که به دلیل تورم آن و تغییر اندازه کاربرد آن در این زمینه کاهش یافت.
پلی‌دی‌متیل‌سیلکوسان (PDMS)
پلی‌دی‌متیل‌سیلکوسان مهم‌ترین و پرمصرف‌ترین پلی‌سایلوکسان در پزشکی است که از جمله خواص آن طول بسیار بالا در دمای محیط، عایق الکتریکی بسیار خوب، مقاومت در برابر ازن، نفوذپذیری بسیار بالا در برابر گازها، مقاومت شیمیایی بالا، ضریب اصطکاک کم 75% و انعطاف‌پذیر بالا، خون‌سازگاری بالا، سمیت بسیار کم، پایداری حرارتی کم، پایداری طولانی‌مدت در شرایط بدن، آب‌گریزی بالا. از این پلیمر در پمپ‌های خون، پوشش ضربان‌سازهای قلبی، بیرون کش‌های آب، عدسی تماسی، پوست مصنوعی، دستگاه‌های اکسیژن‌دهنده، چسب‌های پزشکی، مفاصل انگشت‌ها، حلزون‌های شنوایی، کاتترها، پروتزهای زیبایی صورت و بینی و... بهره برده می‌شود.
پلی‌یورتان (Polyurethane)
این گروه از مواد دارای استحکام کششی بالا، چقرمگی، مقاومت با سایش، مقاومت در برابر تخریب و زیست‌سازگاری هستند که مجموعه این خواص آن‌ها را به یکی از مهم‌ترین گروه‌ها برای استفاده در ساخت وسایل قابل‌کاشت در بدن تبدیل نموده است. پلی‌یورتان‌ها در کاشتنی‌های طولانی و کوتاه‌مدت زیست پایدار و زیست‌تخریب‌پذیر با محصولات تخریب زیست‌سازگار مورداستفاده قرار می‌گیرند. این مواد به دلیل داشتن بار سطحی منفی، آب‌گریزی و مورفولوژی مناسب (از جهت صافی سطح) خون‌سازگاری بالایی دارند و این امر باعث شده است که از آن‌ها در ساخت کاشتنی‌های قلبی - عروقی استفاده شود. از مهم‌ترین کاربردهای این مواد می‌توان به بطن چپ مصنوعی قلب، بالون‌های داخل آئورتی، پوشش لید ضربان‌سازها، دریچه‌های قلب مصنوعی، غشاهای همودیالیز و... اشاره نمود. طیف گسترده خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی پلی‌یورتان‌ها سبب شده است که این گروه از پلیمرها کاربردهای وسیعی در مهندسی بافت و سامانه‌های نوین رهایش دارو نیز بیایند.
پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر پلی‌لاکتیک‌اسید و پلی‌گلیکولیک‌اسید
پلی‌استرهای خطی لاکتیک و گلیکولیک اسید برای بیش‌تر از سه دهه است که در کاربردهای مختلف پزشکی استفاده می‌شوند. در زمینه رهایش کنترل شده داروها، تحقیقات زیادی به آن‌ها اختصاص‌داده‌شده است. این پلیمرها برای انتقال استروئیدها، عوامل ضد سرطانی، پپتیدها و پروتئین‌ها، آنتی‌بیوتیک‌ها و واکسن‌ها به کار می‌روند. ترکیبات قابل تزریق حاوی میکرواسفری‌های پلیمری لاکتید و گلیکولیک در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب نموده‌اند.
پلی‌کاپرولاکتون (Polycaprolactone)
بررسی زیست‌سازگاری این پلیمر آن را به‌عنوان یک پلیمر غیرسمی و بافت سازگار با محصولات تخریبی زیست‌سازگار معرفی نموده است. در مواردی از PCL به‌عنوان بست‌های تخریب‌پذیر جهت نزدیک نمودن لبه‌های زخم استفاده می‌شود. از پلی‌کاپرولاکتون DL در تهیه پلی‌یورتان‌های زیست‌تخریب‌پذیر بهره برده شده است که پلیمر مذکور برای استفاده در مهندسی بافت غضروف و پوست بررسی شده است.
پلی‌ارتواسترها (Polyorthoester)
این مواد دسته دیگری از پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر هستند که برای کاربردهایی نظیر رهایش دارو در چشم، درمان سوختگی‌ها، کنترل درد پس از عمل و کاربردهای ارتوپدی آزمایش شده‌اند. پلی‌ارتواستر در مقایسه با پلی‌لاکتیک اسید سبب افزایش رشد استخوان می‌گردد.
پلیمرهای طبیعی (Natural Polymers)
پلیمرهای طبیعی پلیمرهایی هستند که توسط سامانه‌های بیولوژیکی مانند میکروارگانیسم‌ها، گیاهان و حیوانات تولید می‌شوند. پلیمرهای طبیعی مصارف زیادی دارند که از جمله آن‌ها می‌توان به چسب‌زخم، ماده جاذب، تهیه لوازم آرایشی، رهایش دارو داربست‌های پزشکی، نخ‌های بخیه قابل‌جذب، پانسمان‌ها، و زخم‌پوش‌ها، ترمیم بافت دهان، غضروف، تاندون، لیگامنت، عصب، رگ، افزایش بافت نرم، انتقال دارو، کاشتنی‌های دندانی، پوست مصنوعی، بازسازی استخوان، عدسی‌های تماسی، رهایش کنترل شده دارو و کپسوله‌کردن تولیدات نساجی اشاره کرد. ازآنجایی‌که پلیمرهای طبیعی در مقایسه با پلیمرهای صنعتی سازگاری محیطی بهتری دارند تلاش‌های بیش‌تری برای کاهش قیمت آن‌ها باید صورت بگیرد، زیرا پلیمرهای طبیعی موجود دو تا پنج برابر، گران‌تر از پلیمرهای مصنوعی هستند.
آزمون‌های زیست‌سازگاری
- آزمون‌های خارج بطنی (in vitro)
- سمیت (Cytotoxicity)
- خون سازگاری (Blood Compatibility)
- آزمون‌های داخل بطنی (in vivo)
- کاشت کوتاه‌مدت
- کاشت بلندمدت
- آزمون‌های خارج بطنی
مقدمه و پیش‌نیاز آزمون‌های داخل بطنی هستند.