Organiczne materiały o właściwościach porotwórczych do zastosowań w medycynie
W momencie uszkodzenia płuc w tak dużym stopniu, że utlenowanie krwi jak również odbiór dwutlenku węgla stają się nieefektywne i niewystarczające, należy zastosować zewnętrzne systemy do utlenowania krwi takie jak ECMO. Niestety, systemy te nie są pozbawione wad i nie mogą być wykorzystywane w każdym przypadku i w nieskończenie długim czasie. Dlatego istotne stało się otrzymanie materiałów porowatych na membrany gazowymienne stosowane w układach do oksygenacji krwi. Tego właśnie zadania podjął się zespół badawczy TWAIN z Instytutu Inżynierii Biomedycznej Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, Śląskiego Uniwersytetu Medycznego oraz Akademii Wychowania Fizycznego.
Materiały o właściwościach porotwórczych wykorzystywane są do wytwarzania membran selektywnych, czyli takich, które przepuszczają jedynie cząstki o określonej wielkości. Z materiałów tego typu wytwarza się m.in. membrany do stosowania przy produkcji przedmiotów codziennego użytku, takich jak namioty, kurtki, filtry, ale także membrany osmotyczne mające zastosowanie w medycynie: w filtrach do terapii nerkozastępczej oraz w oksygenatorach do utlenowania krwi. Najpopularniejszym, wysoko zaawansowanym technologicznie - w zastosowaniach niemedycznych - materiałem porotwórczym (wykorzystywanym np. do produkcji kurtek), z którego wykonywane są membrany jest poli(tetrafluoroetylen). Natomiast w zastosowaniach medycznych, czyli do budowy aparatury, z dotychczasowego stanu techniki znane są różne materiały, w tym te przewidziane do budowy porowatych membran stosowanych w aparaturze mającej bezpośredni kontakt z płynami ustrojowymi.
Przeglądając literaturę i bazując na dostępnych opisach patentowych dowiadujemy się, że np. w PL225257 opisany jest układ membranowy do miejscowej immobilizacji komórek eukariotycznych, posiadający suport oraz co najmniej jedną biwarstwę. W układzie tym jedna warstwa nałożona jest bezpośrednio na grupę izolowanych komórek eukariotycznych i pozwala ona na izolację komórek eukariotycznych od środowiska zewnętrznego, w szczególności mikroorganizmów, jednocześnie nie ograniczając transportu substancji odżywczych przez membranę, pozwalając na ich ukierunkowany wzrost.
W PL212620 opisana została specjalnie modyfikowana membrana poliolefinowa (PP, PE) oraz sposób modyfikowania mikroporowatych membran poliolefinowych przeznaczonych do izolacji bakterii Gram(+), a w PL197199 polimerowa membrana protonowo przewodząca na bazie uwodnionego poli(kwasu perfluorosulfonowego).
W PL165872 przedstawiono sposób wytwarzania wielowarstwowej membrany porowatej z policzterofluoroetylenu, zawierającej co najmniej dwie warstwy posiadające pory o różnych przeciętnych średnicach, a w EP0409496 proces otrzymywania mikroporowatych membran zawierających co najmniej częściowo krystaliczny aromatyczny polimer posiadający w łańcuchu eter lub wiązania tioeterowe i ketonowe. Proces pozwala na wytwarzanie membran z niektórych aromatycznych polimerów o wysokiej temperaturze topnienia, np. PEDK.
Rodzaj materiałów, z jakich wykonywane były membrany znane ze wskazanych wyżej rozwiązań, pozwala (ze względów sterycznych) na ich wykorzystanie do oksygenacji krwi, jednakże ich istotne ograniczenia biochemiczne w znaczącym stopniu limitują to zastosowanie. Membrany te nie zawierały bowiem dodatków zapewniających uwalnianie substancji przeciwkrzepliwych, co w takich zastosowaniach było ich istotną niedogodnością. Ponadto, ze względu na swoją strukturę charakteryzują się rozwiniętą topografią powierzchni w skali mikrometrycznej, co było przyczyną ich negatywnego działania na organizmy żywe. Na poziomie komórkowym membrany powodują steryczne uszkodzenie błon komórkowych, co skutkuje destabilizacją komórek. Co więcej, membrany nie mogą hamować tworzenia skrzeplin i nie zabezpieczają przed tworzeniem się biofilmu.
Jak dotąd w zastosowaniach medycznych jako materiały o właściwościach porotwórczych stosowane były przede wszystkim polipropylen (PP) i poliuretan (PU). Na przykład w urządzeniach wykorzystywanych w procesie utlenowania (oksygenacji) krwi jako materiał porowaty do budowy membran używany był poliuretan, a do budowy elementów do rozdzielania warstw membran (spacer) stosowany był polipropylen. Pomimo wysokiej skuteczności takich membran pod względem wymiany gazowej, mają one ograniczenia związane zwłaszcza z inicjowaniem reakcji zapalnej z niskiej bioinercji tych materiałów. Wpływało to na tworzenie się stopniowo narastających skrzeplin na powierzchni membrany.
W takim przypadku, aby utrzymać skuteczność utlenowania krwi, konieczne było zwiększenie stężenia tlenu, co indukuje stres oksydacyjny i nasila proces wykrzepiania, wywołując niekorzystną kaskadę szybko następujących po sobie niekorzystnych czynników, ponieważ należy ciągle zwiększać stężenie tlenu, aby utrzymać poziom saturacji krwi, a to nasila stres oksydacyjny i potęguje wykrzepianie. Po przekroczeniu pewnego progu ilość skrzeplin jest już tak duża, że urządzenie nie nadaje się do dalszej pracy (nie spełnia swojej funkcji) i należy wymienić cały układ oksygenatora.
Znane są różne związki o działaniu przeciwzakrzepowym. Należą do nich m.in.albuminy - białka krwi produkowane w wątrobie odpowiedzialne za utrzymanie ciśnienia onkotycznego w naczyniach krwionośnych, transport substancji słabo rozpuszczalnych w osoczu (kwasy tłuszczowe, niektóre hormony, jony wapnia) i buforowanie krwi. Działanie przeciwzapalne albumin polega na hamowaniu wytwarzania leukotrienów przez neutrofile i trombocyty oraz obniżaniu wrażliwości neutrofili na działanie cytokin zapalnych. Natomiast ich działanie przeciwzakrzepowe polega na aktywacji antytrombiny III i hamowaniu agregacji trombocytów.
Kolejnym związkiem o działaniu przeciwzakrzepowym jest heparyna - organiczny związek chemiczny, polisacharyd zbudowany głównie z N-siarczanu i O-siarczanu glikozoaminoglikanu złożonego z reszt D-glukozaminy i kwasu L-iduronowego połączonych w nierozgałęziony łańcuch. Heparyna jest naturalnym czynnikiem, który poprzez hamowanie przejścia protrombiny w trombinę powoduje silne działanie przeciwzakrzepowe krwi oraz ze względu na oddziaływanie na lipidy poprzez aktywację lipazy jest również stosowana jako czynnik przeciwzakrzepowy używany do opłaszczeń przeciwzakrzepowych. Uwalniana w sposób kontrolowany może też hamować agregację trombocytów oraz ich adhezję (przyleganie do powierzchni) do ścian naczyń krwionośnych. Heparyna jest wyłapywana przez ściany naczynia i zwiększa ich ładunek ujemny, co utrudnia przyleganie trombocytów i zapobiega powstawaniu skrzepów przyściennych. Heparyna jest wykorzystywana jako lek przeciwzakrzepowy zapobiegający tworzeniu się skrzeplin, standardowo stosowany u chorych poddawanych zabiegom chirurgicznym i unieruchomionym, w żylnej chorobie zakrzepowo-zatorowej, ostrych zespołach wieńcowych.
Jak dotąd nie były natomiast znane materiały o właściwościach porotwórczych, przeciwzapalnych i przeciwkrzepliwych, zawierające immobilizowaną w swoim składzie albuminę, półprzepuszczalne dla gazów, przeznaczone zwłaszcza do budowy membran stosowanych w medycznych układach gazowymiennych, głównie do oksygenacji krwi (oksygenatory) oraz efektywne sposoby uzyskiwania takich materiałów.
Otrzymane w naszym laboratorium organiczne materiały składające się z:
- bazy w postaci wybranych polimerów (PP, PU, PET, PC, POM, PSU, silikonu, polimeru fluorowego, PTFE, PVDF, kopolimeru tetrafluoroetylenu lub FEP)
- domieszki 4-(difenyloamino)benzaldehydu, domieszki 1,3-indandionu i domieszki albuminy wbudowanej w mikrostrukturę materiału bazowego
lub
- materiału bazowego w postaci wybranych polimerów (PTFE, teflon, PVDF, FEP) oraz
- domieszki heparyny wbudowanej w mikrostrukturę materiału bazowego
posiadają właściwości porotwórcze, przeciwzapalne i przeciwkrzepliwe. W przypadku zastosowania takich materiałów do wytworzenia membran do oksygenatorów ograniczone jest ryzyko indukowania stanów zapalnych, a co za tym idzie spowalnia się proces wykrzepiania na membranie.
W obu przypadkach, wykorzystując zarówno albuminę jak i heparynę, można otrzymać materiały o bardzo szerokim zakresie wielkości porów - od skali nano/mikro (zastosowanie zwłaszcza do oksygenacji, wymiany gazowej) do skali makroporów o wielkości nawet dziesiątych części milimetra (zastosowanie jako materiały wodoszczelne, oddychające). Wykorzystanie immobilizowanej albuminy i heparyny ze względu na kontrolowany dyfuzyjnie proces uwalniania ich stężenia na powierzchni kontaktowej detalu przez cały okres stosowania materiałów (programowanego życia produktu) jest stałe. Zminimalizowana jest możliwość nadmiernego wypłukiwania albuminy i heparyny. Albumina, jak już wcześniej zaznaczono, ma silne działanie przeciwzakrzepowe dzięki oddziaływaniu na kaskadę krzepnięcia krwi.
Wprowadzenie domieszek 4-(difenyloamino)benzaldehydu i 1,3-indandionu powoduje zmniejszenie naprężeń wewnętrznych materiału, co skutkuje lepszą orientacją makrocząsteczek w trakcie procesu przetwórstwa oraz wytwarzania porów, co finalnie obserwuje się jako gładką strukturę zewnętrzną, dzięki czemu nie ma mechanicznych sterycznych ognisk powstawania skrzeplin ze względu na jednolitość materiału jak i brak ostrych krawędzi dookoła porów i pęknięć.
Domieszki albuminy i heparyny wbudowane są zarówno w pory materiału, jak i w mikropęknięcia powstałe jako defekty równowagowe na etapie jego tworzenia. Poprawia to istotnie ciągłość powierzchniową struktury materiału, a przez to zabezpiecza przed zaleganiem materiału organicznego w porach i mikropęknięciach oraz znacząco obniża wykrzepianie.
W obu przypadkach zastosowania zarówno albuminy, jak i heparyny można otrzymać materiał o właściwościach porotwórczych, przeciwkrzepliwych i przeciwzapalnych przeznaczony zwłaszcza do budowy aparatury medycznej, w szczególności do konstrukcji podzespołów mających bezpośrednią styczność z krwią. Rozwiązanie może znaleźć zastosowanie m.in. przy otrzymywaniu membran do utlenowania krwi oraz innych membran gazoselektywnych.
Dr hab. Andrzej Swinarew