ПОЛИМЕРЫ
В начале нашего столетия химики синтезировали особую группу высокомолекулярных соединений и полимеров. Обладая высокой степенью химической инертности, они сразу же привлекли внимание многочисленных исследователей и хирургов. Так химия пришла на помощь современной восстановительной хирургии.
Полимеры стали использоваться в качестве трансплантатов. Накопленный опыт позволил перейти от случайного применения их к систематическому изучению свойств и особенностей.
Протезы различных органов и тканей имеют свои функциональные отличия, и поэтому полимерные материалы должны обладать совершенно разными свойствами.
В настоящее время из полимеров изготавливается более трех тысяч видов медицинских изделий. Вполне понятно, что дальнейшие успехи в этой области зависят от кооперирования и творческого содружества между химиками и медиками. Химическая промышленность выпускает различные полимеры с точным соблюдением тех требований, которые к ним предъявляют. Однако специальных полимеров для применения в медицине выпускается пока еще мало. Первостепенной задачей является разработка технических условий на «медицински чистые» полимеры, которые не оказывали бы вредного действия на организм человека.
Началом применения полимерных материалов в медицине следует считать 1788 год, когда во время операции А. М. Шумлянский прибег к каучуку. Затем в 1895 году был использован целлулоид для закрытия костных дефектов после операций на черепе. В 1939 году совместные усилия стоматологов и химиков (И. И. Ревзин, Г. С. Петров, И. М. Езриелев и др.) привели к созданию полимера АКР?7 для изготовления челюстных и зубных протезов. Вскоре появился ряд пластмасс из акриловых смол, оказавшихся пригодными для глазных протезов и восстановительных операций в челюстно–лицевой хирургии. В 1943 году С. Д. Федоровым впервые сделана заплата из полиметилметакрилата для закрытия дефекта черепа. В настоящее время этот материал широко применяется у нас в стране и за рубежом. Из него получают трубки для дренирования слезного мешка, гайморовой полости, протезы кровеносных сосудов, клапанов сердца, пищевода, желудка, мочевого пузыря, желчных протоков, уретры, хрусталика глаза, штифты и пластинки для фиксации костей при переломах, полимерные сетчатые «каркасы» для соединения кишок, сухожилий, трахеи.
Одним из первых синтетических материалов, использовавшихся для пластики кровеносных сосудов, был поливинилалкоголь. Я познакомился с его применением в 1955 году в Англии при посещении хирургической клиники профессора Г. Робба. Он замещал трубками из поливиниловой губки дефект сосуда. Я привез этот материал на кафедру топографической анатомии и оперативной хирургии, и мы также стали экпериментировать. Но оказалось, что вставки из поливиниловой губки через один–два года «старели», склерозировались, их приходилось удалять. Кроме того, выяснилось, что поливинилалкоголь может быть использован только при операциях на аорте и крупных сосудах. В сосудах же небольшого диаметра иа всем протяжении протеза вскоре образуется тромб. Аналогичные наблюдения сделали и американские хирурги.
Малый диаметр периферических сосудов, худшие условия кровообращения и особенности строения их стенок приводили к плохому прорастанию (вживлению) ткани в поры синтетического протеза.
К полимерам, применяемым для протезов внутренних органов, предъявляются жесткие требования. Главнейшее из них — длительное сохранение основных физико–механических свойств при постоянном воздействии ферментативной системы живого организма. Наиболее успешно применяются в хирургии полимеры, изготовленные на основе акриловой и метакриловой кислот, хорошо зарекомендовавшие себя в травматологии и ортопедии и используемые для замещения тазобедренного сустава и дефектов костей черепа.
В 1952 году советский хирург М. В. Шеляховский при операциях по поводу грыж передней брюшной стенки применил перфорированные пластинки из фторопласта?4. В последующие годы под руководством Б. В. Петровского для этих же целей, а также для пластики диафрагм были использованы капроновая сетка и ивалон. Особо перспективными являются синтетические ткани с бактерицидными свойствами — метилен, биолан и йодин. Сетки из них оказались наиболее пригодными для пластических операций при грыжах живота.
Предстоит еще много сделать в поисках искусственных материалов для поврежденных суставов, полых органов, костей, мягких тканей, сухожильных связок и особенно протезов, предназначенных для временного нахождения в организме, до срастания ткани, после чего они должны полностью рассасываться. Полимеры этой группы изучены меньше всего, и их пока мало.
Наиболее часто применяющиеся в медицине полимеры— силиконы. Их положительными свойствами являются химическая и физиологическая инертность, термостабильность— до 180 °C. Силиконы необходимы при косметических операциях на лице, молочных железах, для изготовления катетеров, клапанов сердца, пленки для защиты поверхности кожи при ожогах.
Довольно широкое распространение в медицине получает полиэтилен. Он обладает большой прочностью, гибок и эластичен, не поддается органическим растворителям, щелочам и слабым кислотам. В нем отсутствуют токсичные вещества. Обычно используются две полиэтиленовые пленки, между которыми проложена сетка из синтетических волокон, например лавсана.
На основе полимеров создан шовный материал, успешно конкурирующий с традиционными кетгутом и шелком. Помимо требований к полимерам, имплантируемым в организм, он должен обладать высокой капиллярностью (для поглощения раневого экссудата), эластичностью, термостойкостью. В настоящее время успешно ведутся работы по созданию окрашенных синтетических шовных материалов, лигатур, обеспечивающих более надежное завязывание узлов, а также заменителей кетгута с различными сроками рассасывания их в организме.
Широкие перспективы открылись в связи с развитием производства синтетических тканых материалов. Бинты, изготовленные на основе капрона с хлопком, по своим физико–механическим свойствам не уступают обычным бинтам из хлопчато–вискозной марли, выдерживая стерилизацию при температуре 120–130°. Марля и вата из лавсана, вискозы, капрона по капиллярности превосходят хлопчатобумажную вату и марлю в 2 раза.
Важными достижениями последнего времени являются синтез пленкообразующих составов и конструирование распылителей для нанесения их на раны и ожоговые поверхности, а также создание медицинских клеев для тканей, сосудов, бронхов, кишечников и паренхиматозных органов.
Медицинский клей должен обладать рядом необходимых свойств: отсутствием токсического и аллергического влияния на организм, прочностью при соединении влажных тканевых поверхностей, способностью рассасываться по мере образования соединительной ткани, бактерицидным и кровоостанавливающим действием. Впервые такой клей был выпущен американской фирмой «Этикон». В дальнейшем и в пашей стране на основе циакрила был разработан медицинский клей, широко применяющийся в хирургической практике.
Полимеры могут использоваться как плазмо– и кровезаменители и для удлинения времени действия многих лекарственных препаратов. Помимо восстановления баланса крови при кровопотерях они обладают способностью связывать в организме токсические вещества. Отсюда, естественно, возникла идея использовать раствор полимера для пролонгирования срока действия лекарственного вещества. Исследования показали, что введение новокаина, инсулина, пенициллина, тетрациклина в раствор плазмозаменнтеля, увеличивает продолжительность их лечения и уменьшает токсичность.
В качестве пролонгаторов используются полимеры, обладающие ионообменными свойствами. Лекарственный препарат в организме постепенно «освобождается» от полимерной ионообменной смолы и оказывает терапевтическое действие. Этот механизм «освобождения» в основном сводится к тому, что соляная кислота желудочного сока разрушает соединения лекарственного вещества с ионообменной смолой, к которой добавляют антибиотики и сульфаниламиды. По сравнению с обычными, эти препараты обладают большей активностью. Скорость разрушения полимерных соединений, а следовательно, и степень пролонгации лекарств во многом зависят от того, насколько малы частицы ионообменной смолы: чем они меньше, тем медленнее идет их разрушение. Этот метод удлинения влияния лекарственных препаратов является одним из самых перспективных.
В настоящее время осуществлен синтез полимерных препаратов — антисклеротических, противоопухолевых, анестезирующих, противолучевых, антибиотических, противотуберкулезных. Увеличение сроков действия лекарств дает возможность более рационально и реже вводить их в организм, что значительно удобнее для больных и медицинского персонала, особенно при длительном, иногда многомесячном лечении.
Перспективы использования полимеров в медицинской практике неограничены. Из устойчивых к воздействию высокой температуры полимеров производят шприцы разового применения, системы для переливания крови, аппараты искусственного кровообращения и искусственной почки, шпатели, аппликаторы. На основании разработки, осуществленной московским и ленинградским институтами переливания крови, из полимеров (полиэтилена) выпускают наборы мешков и приспособлений для хранения крови и плазмозаменителей. Широко применяются полимеры для изготовления предметов ухода за больными, протезно–ортопедических изделий, лабораторной посуды.
Особенно высокие требования предъявляются к полимерам в ортопедической стоматологии — протезировании. Зубные протезы должны быть изготовлены по моделям с особой точностью, отражающей форму челюсти, а также положение и форму зубов. В результате долгих поисков была найдена рецептура отечественного полимерного материала на основе акриловых смол, который с успехом применяется в стоматологии.
В последние годы разрабатываются новые полимеры на основе эпоксидных смол, обладающие лучшими физико–механическими качествами. Они идут также на протезирование дефектов лица, когда по тем или иным причинам хирургическую пластическую операцию выполнить невозможно. Пломбировочные материалы создаются на основе эпоксидных смол «холодного» отвердения. Они достаточно тверды, сохраняют постоянный объем. Срок их службы исчисляется десятилетиями.
Современная реконструктивная хирургия сердца и сосудов немыслима без полимеров. Известно, что они должны обладать так иазывг. гмой «биологической инертностью», иметь необходимую механическую прочность, соответствующие «усталостные» характеристики, желаемую физическую структуру, а главное — не вызывать образования тромбов на своей поверхности при контакте с кровью. Но идеальных в этом отношении сосудистых протезов пока нет.
Разработка, изготовление и применение эластичных трубок из синтетических волокон ознаменовали собой новый этап в сосудистой хирургии. Протезирование стало одним из самых распространенных видов восстановительных операций на сосудистой, главным образом артериальной системе.
Сосудистые протезы из полимеров начали применяться в клинической практике с начала 50?х годов нашего столетия. Изучены непосредственные и отдаленные результаты этих вмешательств. Пластическим материалом служат тканые, вязаные, плетеные протезы из разнообразных синтетических волокон (лавсана, терилена, дакрона, тефлона) отечественного и зарубежного производства. В СССР организован серийный выпуск таких протезов для клинического лечения.
Успех операций по протезированию кровеносных сосудов, их «вживление», во многом зависит не только от материала, из которого изготовлен протез, или от его конструкции, но и от диаметра сосуда, скорости кровотока по нему. Наилучшие результаты дает пластика аорты и крупных ее ветвей. При протезировании или шунтировании более мелких сосудов (ветвей общей сонной артерии, плечевой, бедренной, подколенной артерии), а также венозных стволов, например полых вен, — результаты несколько хуже. Сейчас уже накоплен большой клинический опыт по протезированию сосудов, и можно говорить о положительных отдаленных результатах операций, сделанных более 10 лет назад.
Морфологические исследования эволюции сосудистого протеза в организме показывают, что образующаяся внутренняя оболочка в сосуде после его включения в кровоток — «выстилка» — покрывается клеточными элементами лишь путем «наползания» внутренней оболочки сосуда через зоны стыков с концов естественного кровеносного сосуда. Одновременно через поры сосудистого протеза происходит прорастание в него элементов наружной соединительнотканной оболочки. Именно на этом этапе важную роль играет пористость стенок сосудистого протеза. При ее недостаточности происходят перестройка структуры внутренней «выстилки», ее отслоение с последующим образованием тромба, закрывающего просвет протеза.
Продолжительность функций сосудистого протеза в значительной мере зависит от скорости кровотока по нему. Малый кровоток может быть обусловлен различными причинами, например сдавлением протеза гематомой, рубцеванием на месте стыков, плохим состоянием дистальных концевых отделов сосудов. На внутренней стенке протеза происходит при этом постоянное отложение фибрина, что еще более ухудшает кровоток и в конечном итоге приводит к тромбозу.
Таким образом, современные протезы сосудов по сравнению с естественными по своим функциональным свойствам еще далеко не совершенны. Однако накопленный опыт убедительно показывает, что синтетические материалы при протезировании различных отделов аорты и ее крупных ветвей обеспечивают хорошую функцию этих отделов кровеносного русла. Неудачи возникают, как мы уже говорили, при протезировании артерий малого диаметра, а также вен. Следовательно, необходимо разрабатывать новые полимерные материалы и более совершенные конструкции сосудистых протезов именно для этих отделов кровеносного русла.
Полимеры применяются также в восстановительной кардиохирургии, для замещения дефектов стенок и перегородок сердца. При этом рекомендуются полимерные ткани вязаной и тканой конструкций из полиэфирных волокон, ставших основой изготовления протезов.
Особое место в кардиохирургии занимают операции по поводу приобретенных и врожденных пороков сердца с использованием искусственных клапанов, являющихся на сегодня единственным радикальным методом излечения клапанного порока. Искусственные клапаны сердца завоевали «права гражданства» в хирургии, они успешно прошли испытания в эксперименте и применяются в клинике. Лучшим из них является шариковый клапан (каркас из титана и пластмассовый шар), сконструированный советскими инженерами в тесном сотрудничестве с хирургами. Он служит для замены всех сердечных клапанов: митрального, трехстворчатого, аортального и легочного.
Шариковые клапаны обладают высокой надежностью, долговременностью, хорошо функционируют. В период сердечного цикла они делают два движения — закрываются и открываются. Каждый из них производит около 80 миллионов колебаний в год. Дальнейшее совершенствование клапанных протезов идет по пути разработки малогабаритных моделей и конструкций с ламинарным (без завихрений) потоком.
Внедрение искусственных клапанов сердца в клиническую практику у нас в стране и за рубежом позволило радикально излечивать больных с тяжелой патологией клапанного аппарата сердца. Об этом свидетельствует опыт нескольких десятков тысяч операций. Наблюдения за оперированными больными показывают высокую эффективность их, значительное улучшение состояния больных и восстановление утраченной трудоспособности.
Хирургия открытого сердца немыслима без искусственного кровообращения. Из полимеров изготовляется соответствующая аппаратура. В качестве частей аппарата искусственного кровообращения используются, например, оксигенаторы, в которых кровь насыщается кислородом с помощью полупроницаемых мембран и трубки.
Большую роль играют также полимеры в создании вспомогательного кровообращения и искусственного сердца. Все методы вспомогательного кровообращения направлены на разгрузку сердца, временно утратившего свою полноценную сократительную способность, от работы по перекачиванию крови и преодолению сопротивления сосудистой системы. Из полимеров изготавливаются для этой цели насосы–баллончики, с помощью которых осуществляется вспомогательная контрпульсация, искусственные желудочки, позволяющие исключить из кровообращения правый или левый желудочек сердца. Правда, эти устройства пока еще не получили широкого применения в клинике.
Особым требованиям должны удовлетворять полимерные протезы для замещения отделов желудочно–кишечного тракта (пищевода, стенки желудка, желчного протока и т. д.). Здесь главное условие — их герметичность и надежная изоляция окружающих тканей от инфицированного содержимого кишечника. Однако пока такие протезы еще не созданы. Применение нашли лишь протезы из полиэтилена в виде трубок, обеспечивающие временную проходимость пищевода при его поражении опухолью. Делаются попытки изготовить протез желчного протока на основе пористой сосудистой трубки, покрытой для герметизации пленкой из полимеров.
Создание новых, более совершенных протезов тесно связано с разработкой биосовместимых материалов, имеющих определенные сроки рассасывания. В хирургии уже есть опыт замещения дефектов мягких тканей, особенно после иссечения рубцов, при послеоперационных грыжах. Здесь используются высокопористые ткани и трикотаж из лавсана, полипропилена. Похожие на сетку, они не рассасываются в организме, образуя прочный каркас для мягких тканей.
Существенную роль играют полимеры при лечении переломов. Перспективным представляется создание из них костных штифтов с длительными сроками рассасывания, чтобы надежно фиксировать «отломки» кости до полного срастания перелома. Разработка таких штифтов ведется на основе биосовместимых материалов. Для лучшего срастания костных «отломков» трубчатых костей (бедра, костей голени) сейчас применяются металлические гвозди, пластины. Однако через 6–8 месяцев требуется повторная операция для удаления металлических деталей. При штифтах и пластинах из биосовместимых материалов надобность в такой операции отпадает и сокращаются сроки лечения больных, так как сам полимер, рассасываясь, стимулирует образование костной мозоли.
Быстрое развитие химии создаст условия для синтеза полимеров, обладающих всем необходимым комплексом биологических свойств. В ближайшие годы, несомненно, появятся новые соединения, которые будут использоваться в протезировании внутренних органов и систем, вплоть до применения их в качестве переносчиков газов крови, а также веществ, усиливающих действие лекарственных препаратов.
Биоматериалы в хирургии.
