Сущность полимеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Научные открытия всегда приносят пользу. Даже самые незначительные из них, как правило являются кирпичиками в общем здании науки, или очередной ступенью лестницы, по которой человечество поднимается… Ну, куда оно поднимается, это человечество, никто точно не знает. Может, не поднимается, а опускается…

Есть научные открытия, которые за достаточно короткий срок существенно изменяют мир, в котором мы живем. Не всегда в лучшую сторону, хотя однозначных суждений сделать нельзя. Возьмем, к примеру, атомную бомбу - зло в чистом виде, но ведь атомную энергию можно использовать и в мирных целях.

1. Что же такое Полимеры?

Полимеры - высокомолекулярные соединения (ВМС), вещества с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы, соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленные цепи, а также пространственные трехмерные структуры. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества.

В зависимости от строения основной цепи ВМС делятся на линейные, разветвленные и трехмерные (пространственные) структуры.

Линейные ВМС могут иметь как кристаллическую, так и аморфную (стеклообразную) структуру. Разветвленные и трехмерные полимеры, как правило, являются аморфными. При нагревании они переходят в высокоэластическое состояние подобно каучуку, резине и другим эластомерам. При действии особо высоких температур, окислителей, кислот и щелочей органические и элементоорганические ВМС подвергаются постепенному разложению, образуя газообразные, жидкие и твердые (коксы) соединения.

Трехмерные структуры могут лишь временно деформироваться при растяжении, если они имеют сравнительно редкую сетку (подобно резине), а при наличии густой пространственной сетки они бывают упругими или хрупкими в зависимости от строения.

Полимерные материалы делят на три основные группы: пластические массы, каучуки, химические волокна. Они широко применяются во многих областях человеческой деятельности, удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта.

2. Наука о полимерах

Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.

3. Классификация полимеров

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, фенолоформальдегидные смолы. Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов; цепи с разветвлением, трехмерной сетки. Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами.

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.

В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры, делят на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевиноформальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу полимеров образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

полимер молекулярный химический

4. Свойства полимеров

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высоко-эластичным деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклообразный продукт, переходящий в высоко-эластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики.

Особые механические свойства:

* эластичность -- способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);

* малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

* способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

* высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;

* растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

* способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента.

5. Изготовление полимеров

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонденсацией. Карбоцепные полимеры обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных), Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углеродоэлемента (например, С=О, С=N, N=С=О) или непрочные гетероциклические группировки.

6. Применение полимеров

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.

Медицинская хирургия всегда требует новые материалы. Некоторые синтетические материалы, например, нейлон, капрон, лавсан, дакрон, тефлон и другие, начали внедрять в медицинскую практику по причине их кажущихся на первый взгляд положительных качеств, прежде всего доступности, легкости изготовления, прочности, простоты стерилизации, относительной биологической инертности.

Классическое понятие "биологическое лучше искусственного" подвергли сомнению из-за чрезмерного увлечения полимерными материалами.

В настоящее время из полимеров изготавливается более трех тысяч различных 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.

С накоплением опыта применения синтетических материалов появился обоснованный скептицизм. Более того, сложные проблемы восстановительной хирургии не решались окончательно.

Инертные полимеры в живом организме оставались, к большому сожалению, инородным телом, они меняли свои физические свойства, поддерживали хроническую воспалительную реакцию; длительность функционирования протезов из полимеров приносила вред живому организму, в научной медицинской литературе появились сведения о канцерогенной опасности полимеров. Поэтому стали уделять больше внимания рассасывающимся материалам, которые в процессе регенерации постепенно замещались собственными тканями живого организма.

Весьма перспективен в этом отношении природный коллаген гидробионтов и наземных животных, сочетающий только положительные качества синтетических полимеров и тканевых трансплантатов.

7. Коллаген

Явным достоинством коллагена и полученных на его основе коллагеновых материалов для медицины является отсутствие токсических и канцерогенных свойств, слабая антигенность, высокая механическая прочность и устойчивость к тканевым ферментам, регулируемая скорость лизиса в организме, способность образовывать комплексы с биологически активными веществами, стимуляция регенерации собственных тканей организма.

Появление продуктов растворения коллагена (ПРК) расширило возможности широкого применения коллагена в различных областях медицины.

Потребность в коллагеновых материалах в медицине весьма высока.

Многие коллагеновые материалы получают в промышленности и в научных лабораториях методом сублимационной сушки.

Органолептические показатели пористых коллагеновых материалов высокие, они представляют собой пластины белого цвета различной толщины в проделах 6-12 мм; по мягкости и эластичности пластины из коллагена морских млекопитающих превосходят пластины из коллагена наземных животных.

По содержанию азотистых веществ и липидов коллагеновые материалы, полученные из китов и наземных животных, почти идентичны.

Интерес представляет аминокислотный состав пористых коллагеновых материалов. Содержание таких аминокислот, как глицин, пролин и оксипролин, характерных для коллагена и имеющих большое значение для его структурной стабильности, изменяется весьма незначительно по сравнению с исходным коллагенсодержащим сырьем.

Количественный аминокислотный состав подтверждает большую ценность биологических коллагеновых материалов по сравнению с полимерными материалами.

Коллагеновые пористые материалы содержат в основном те же химические элементы, что и исходное коллагенсодержащее сырье; количественно определены K, Na, Ca, Fe, Zn, Al, Cu, Mn, Ag, Co, Ni, Sn, V, Pb, Cr, Bi, Mo, Mg; количественно определен такой важный химический элемент, как йод (I). Химические элементы, макро- и микроэлементы весьма важны для жизнедеятельности любого живого организма. Каждый из химических элементов выполняет в живом организме определенную биологическую функцию.

Организм человека содержит примерно 60% воды, 34% составляют органические вещества и только 6% -- неорганические вещества.

Ткани живого организма, пораженные различными факторами, при лечении коллагеновыми материалами получают многие необходимые химические элементы, макро- и микроэлементы.

Перспективы использования полимеров в медицинской практике неограниченны. 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 изготовления предметов ухода за больными, протезно-ортопедических изделий, лабораторной посуды.

Полимеры применяются также в восстановительной кардиохирургии, для замещения дефектов стенок и перегородок сердца. Причем 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.

8. Синтез полимеров

Развитие методов синтеза и модификации медицинских полимеров и сополимеров, взаимопроникновение идей и методов химии, биологии и медицины позволяют перейти к решению важнейших задач теоретической и практической медицины, осуществлению самых дерзновенных идей человечества. В настоящее время широким фронтом ведутся работы по синтезу физиологически активных полимерных лекарственных веществ, полусинтетических гормонов и ферментов, синтетических генов. Большие успехи достигнуты в создании сополимерных заменителей плазмы человеческой крови.

В настоящее время синтезируют новые, более совершенные марки полисилоксанов. Среди них необходимо отметить трифторпропиленметилполисилоксан. Этот полимер обладает максимальной совместимостью с кровью и в меньшей степени, чем другие полимеры, вызывает образование тромбов. Полисилоксаны и силиконовые резины на их основе широко используются для создания медицинских изделий, контактирующих с кровью: элементов искусственных клапанов сердца, мембраны искусственных клапанов сердца, частей аппаратов искусственного кровообращения и искусственной почки. Жидкие кремнийорганические полимеры - силиконовые масла - обладают еще одним чрезвычайно перспективным для использования в медицине свойством.

Большое значение для медицины имеют сополимеры, содержащие в своей цепи ионообменные группировки - ионообменные смолы. Ионообменные смолы широко применяются для восстановления кислотно-щелочного баланса организма. В настоящее время есть данные о положительных результатах использования ионообменных смол для лечения сердечно - сосудистых и желудочно - кишечных заболеваний, печеночной и почечной недостаточности, сахарного диабета.

9. Полимерный клей

Изобретение относится к биосовместимым адгезивным материалам, применяемым в области медицины, а именно к клеющим веществам, используемым, в частности, для внутриполостной хирургии. Предлагаемый клей является полимерной композицией на основе латекса и представляет новое поколение тканевых клеев.

Известно применение полимерных материалов в медицине. Сегодня в хирургии широко применяются клеевые герметики, которые обладают значительным преимуществом перед другими, еще недавно традиционными материалами для закрытия ран, наложения швов.

К основным техническим требованиям, предъявляемым к медицинским адгезивам, относятся следующие: способность прочно удерживать соединение поверхностей ткани, быть достаточно пористым и эластичным, аутостерильным или легко стерилизоваться, не теряя свойств, не вызывать сильной тканевой реакции, не быть токсичным, не обладать аллергическим и канцерогенным действием, рассасываться и выводиться из организма по мере естественного срастания тканей и не препятствовать этому срастанию.

Из уровня техники известен тканевый фибриновый клей, получаемый из бычьей сыворотки. Данный клей обладает хорошим гемостатическим эффектом, совместим с биологической тканью, нетоксичен, способствует быстрому залечиванию ран и росту ткани. Однако клей имеет недостатки: относительно невысокая адгезионно-когезионная прочность, сложность применения, т.к. он состоит из нескольких компонентов, которые последовательно наносятся с помощью специальных устройств, а также сложность приготовления состава и его высокая стоимость, что затрудняет и ограничивает использование.

Известен медицинский клей, в составе которого содержится клеящая основа - этиловый эфир 2-цианкриловой кислоты, противовоспалительная добавка - 1,1-диоксотетрагидро-1л-тиофен-3-иловый эфир 2-метилакриловой кислоты, в качестве пластификатора - бутиловый или гексиловый эфир акриловой кислоты. Клей предназначен для выполнения операций на паренхиматозных и полых органах. В патенте заявлена повышенная эластичность клеевой пленки.

Полимерный медицинский электрет - полимедэл. Полимедэл. Открытие полимедэла

Полимедэл - это полимерная медицинская пленка из медицинского фторопласта F4а (9х29 см, толщина 10-50 микрон), в которую по специальной технологии внедрен нормированный электрический заряд большой плотности, порядка 10 кулон на один квадратный сантиметр.

В 1960 г. В специально поставленных экспериментах с инкубированием перепелиных яиц Чижевский сделал еще одно открытие: под действием отрицательных электрических зарядов в организме резко повышается процент связанного молекулярного азота, т.е. ускоряется образование белков, которые являются азотистыми соединениями. В опытах вылупившихся перепелятах процент связанного азота был повышен с 2%до 8%.

Весь мир признал важность открытий Чижевского. Сейчас мы можем пользоваться люстрой Чижевского, которая создает отрицательные заряды в воздухе. Для усиления и концентрации действия отрицательных зарядов и был создан Полимедэл.

Применение

Первоначальная область применения - травматология и ортопедия. Но клинические медицинские исследования показали, что Полимедэл работает как анальгетик - снимает боль при различных патологиях: невралгиях, кардиолгиях, почечных и печеночных коликах, зубной, суставной, мышечной боли, мигрени. Причем анальгетический эффект сохранялся и после снятия Полимедэла примерно в половине случаев.

Следует отметить отсутствие побочных реакций при применении пленки. На основании результатов клинических испытаний можно сделать вывод о достаточно высокой эффективности Полимедэла при болевых синдромах различного происхождения. Отметим также, что по данным разработчика Полимедэла, спектр применения пленки значительно шире, чем приведенный выше, но количество официально подтвержденных результатов недостаточно из-за проблем финансирования медицинской науки.

10. Действие полимедэла

Объяснение действия Полимедэла заключается в том, что он вызывает активное кровоснабжение в области лечения. Длина кровеносных капилляров, питающих наши клетки, составляет 100000 км., длина лимфатических капилляров 20000 км. Организм - это система каналов и канальцев, в которых безостановочно текут газ и жидкости. А жизнь - это вечное движение жидкостей между клетками и внутри клеток.

Остановка этого движения - смерть. Всякая болезнь - это местная или общая остановка кровообращения. Каждая клетка может взять питательные вещества не из больших сосудов и артерий, а из микроскопического капилляра, который подходит к ее мембране. Такой же капилляр только и может забрать отходы жизнедеятельности клетки. Если капилляр забит шлаками вследствие неправильного питания и вдыхания загрязненного воздуха, то происходит высыхание или отек клеточной мембраны, образуются белковые токсины.

Начиная с 40-45 лет, всегда наблюдается прогрессирующее уменьшение числа капилляров. Это прогрессирующее высушивание составляет анатомо-физиологическую основу старения и болезни. Человек становится все более сухим, обезвоженным. Это пора ревматических болезней, это пора ревматических болей, невритов, стенокардий, атеросклероза, гипертонии.

Первым и основным объектом живого организма, на которое оказывает воздействие постоянное поле отрицательных зарядов, являются электроны и ионы. Они приобретают направленное движение, которое налагается на тепловое движение. Механизмы действия электрического поля у больных гипертонией связаны с уменьшением объема циркуляции плазмы перераспределением крови в депо. Важное место занимает воздействие на электробаланс.

Снижение содержания натрия в эритроцитах можно объяснить мембранным действием электрического поля.

Заключение

В ходе моей учебно-исследовательской работы удалось выяснить следующее: полимерные материалы широко используются в таких областях медицины как восстановительная хирургия, травматология, ортопедия. Современная медицина не стоит на месте, и, наверняка, впереди нас ждет еще множество открытий в сфере медицины.

Литература

1. Николаев А.Ф., Охрименко Г.И. Водорастворимые полимеры. Л.: Химия, 1979.

2. Полиакриламид / Под ред. В.Ф. Куренкова. М.: Химия, 1992.

3. Платэ Н.А., Васильев А Е. Физиологически активные полимеры. - М.: Химия, 1986.

4. Полимеры медицинского назначения: Пер. с япон./Под ред. С.Манабу.- М.: Медицина, 1981.

5. Афиногенов Г.Е., Панарин Е.Ф. Антимикробные полимеры. СПб: Гиппократ, 1993.

6. Коршак В.В., Штильман М.И. Полимеры в процессах иммобилизации и модификации природных соединений. М.: Наука, 1998.

7. Биомедицинские полимеры - в кн. Биополимеры: Пер. с япон./Под ред. Иманиси.- М.: Мир, 1988.

8. Петров Р.В., Хаитов Р.М. Искусственные антигены и вакцины. М.: Медицина, 1988 .

Размещено на Allbest.ru