Полимеры в медицине

Страница: 1/2

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. Большое число ВМС получают синтетическим путем на ос­нове простейших соединений и элементов нефтяного, углехими­ческого, лесохимического и минерального происхождения в ре­зультате реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений одних полимеров (природных и синтетических) в другие. Особую группу составляют неорганические полимеры (пластичная сера, силикаты и др.).

В зависимости от строения основной цепи ВМС делятся на линейные, разветвленные и трехмерные (пространственные) структуры. Линейные и разветвленные цепи можно превратить в трехмерные действием химических агентов, света и радиации, а также путем "сшивания" (вулканизации). В качестве примеров можно привести вулканизацию каучука,отвердение фенолформаль­дегидных, эпоксидных и полиэфирных смол, образование прочных пленок и покрытий из высыхающих масел, природных смол, эпок­сидов и др.

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.

Физико-механические свойства линейных и разветвленных полимеров во многом связаны с межмолекулярным взаимодействием за счет сил побочных валентностей. Так, например, молекулы целлюлозы взаимодействуют между собой по всей длине молекул, и это явление обеспечивает высокую прочность целлюлозных во­локон. А разветвленные молекулы крахмала взаимодействуют лишь отдельными участками, поэтому не способны образовывать проч­ные волокна. Особенно прочные волокна дают многие синтетичес­кие полимеры (полиамиды, полиэфиры, полипропилен и др.), ли­нейные молекулы которых расположены вдоль оси растяжения.

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. ВМС делятся на две большие группы: гомоцепные, если цепь сос­тоит из одинаковых атомов (в том числе карбоцепные, состоящие только из углеродных атомов), и гетероцепные, когда цепь включает атомы разных элементов. Внутри этих групп полимеры подразделяются на классы в соответствии с принятыми в хими­ческой науке принципами.

Так, если в основную или боковые цепи входят металлы, сера, фосфор, кремний и др., полимеры относят к элементоорга­ническим соединениям.

Изучение ВМС началось лишь в XIX в., а принципы их стро­ения были установлены в 20-30-х. гг. XX в. В 1920 г. немецкий

ученый Г.Штаудингер, основываясь на теории химического строе­ния органических веществ, высказал гипотезу о "макромолеку­лярном" строении полимеров и связал с этим их физико-химичес­кие свойства (например, вязкость растворов). В дальнейшем разработка этой гипотезы привела к созданию теории строения макромолекул, на основе которой стал производиться синтез все новых и новых классов полимеров с заданными свойствами.

Развитию теории строения полимеров способствовали труды

С.В.Лебедева, П.П.Шорыгина, С.С.Медведева, В.А.Каргина, В.В.Коршака, У.Карозерса, П.Флори, Г.Марка и многих других ученых разных стран.

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.

Есть два типа химических реакций, приводящих к превраще­нию мономеров в полимеры: поликонденсация и полимеризация. Они отличаются химическим строением мономеров, закономернос­тями протекания процесса и, как правило, свойствами получае­мых продуктов.

Для поликонденсации необходимы мономеры, содержащие в каждой молекуле не менее двух реакционно-способных групп, например гликоли HO- R- OH, аминокислоты H N- R- COOH, диизо­цианаты OCN- R- NCO и т.д. Сам ход процесса поликонденсации многостадийный. Одна активная группа одной молекулы мономера

реагирует с одной группой другой молекулы - образуется димер опять с двумя активными группами. Например, химический синтез полиэфирного волокна лавсана из терефталевой кислоты и эти­ленгликоля начинается с такой реакции:

HOCH CH OH + HOOC - C H - COOH > HOCH CH - OOC - C H - ­COOH + H O

Димер реагирует далее с мономером или с димером, давая тример или тетрамер, и т.д. Иногда при таких процессах выде­ляются низкомолекулярные продукты (вода, аммиак и т.д.), иногда - нет. Прежде выделение побочных низкомолекулярных ве­ществ считали обязательным признаком реакции поликонденсации, но синтез высокомолекулярных соединений - полиуретанов пока­зывает, что этот признак совсем не обязательный:

HOCH CH OH + OCN - R - NCO > HOC H O - C - N - R - NCO II I

O H

Если реакцию вести достаточно долго, то теоретически все молекулы, находящиеся в реакционной среде, должны сконденси­роваться в одну сверхгигантскую макромолекулу. В действитель­ности так не происходит. Рост молекул прекращается значитель­но раньше. Причины различные: небольшой избыток одного моно­мера, наличие примесей, повышение вязкости среды и т.д. Нема­ловажную роль играет и то, что многие реакции поликонденсации обратимы.

Проходя через стадии ди-, три-, тетрамеров и т.д., моле­кулярная масса продукта нарастает медленно, и высокомолеку­лярные соединения- полимеры- обычно образуются лишь к концу процесса, при общем превращении 95-99% мономеров. Но зато хи-

мики могут приостановить процесс на промежуточной стадии и сформовать изделие сначала из легкоплавких олигомеров, а за­тем довести реакцию поликонденсации до конца и получить проч­ный, теплостойкий и нерастворимый продукт (особенно если в синтезе участвуют мономеры с тремя и более функциональными группами). Эта особенность поликонденсации широко использует-

ся в промышленности, например при синтезе и формовании пено­полиуретанов, фенолформальдегидных смол и других материалов, на основе которых получают пластические массы, и т.п.

Характерные особенности полимеризации в том, что прежде всего вступают в нее только мономеры, содержащие в молекуле двойную связь C=C, C=N или C=O, тройную связь либо цикличес­кую группировку, способную раскрываться. Для того чтобы моно­мер вступил в реакцию полимеризации, к нему надо добавить (или создать в его среде) инициирующий активный центр: сво­бодный радикал, активный ион или активный координационный комплекс. И наконец, еще одна специфическая особенность реак­ций полимеризации состоит в том, что присоединение молекул мономера к активному центру происходит медленнее, чем после­дующее наращивание полимерной цепи присоединением молекул мо­номера друг к другу.

В результате после введения активных центров в массу мо­номера, прервав реакцию в любой момент,можно найти там боль­шее или меньшее количество непрореагировавшего мономера и ка­кое-то количество высокомолекулярного полимера. Выделить из такой смеси ди-, три-, тетрамеры и прочие промежуточные про­дукты полимеризации обычно невозможно - их нет. Такие процес­сы называются цепными реакциями.

Хотя впервые полимеризация была описана еще в XIX в. как побочный процесс смолообразования при выделении некоторых ор­ганических веществ (стирола, формальдегида и др.), теорети­ческое объяснение ее механизма стало возможно лишь в 30-х. гг. нашего столетия, на основе созданной советским академиком Н.Н.Семеновым и английским ученым С.Хиншелвудом теории цепных процессов.

Есть и еще одно отличие полимеризации от поликонденса­ции: обычно полимеризационным путем получают полимеры из мо­номеров, содержащих лишь одну реакционноспособную группу: од­ну С=С связь, одну С=О группу и т.д. Типичные примеры - хими­ческие синтезы полиэтилена и полиформальдегида:

A + nH C = CH > A - /- CH - CH -/n- ...,

A + nH C = O - > A - / - CH - O -/n...,

где А - инициирующий активный центр, а n - число моно­мерных звеньев, образующих макромолекулу (обычно превышает несколько тысяч).

Для каждого мономера химикам приходится подбирать специ­альные инициирующие активные агенты: перекисные соединения, окислительно- восстановительные катализаторы и т.д.; опреде­лять условия проведения процесса: в массе мономера, в раство­ре, в эмульсии, в газовой фазе,в монокристаллах и т.д. При этом концентрации инициирующих веществ обычно ничтожно малы ­сотые доли процента, а условия могут очень резко отличаться друг от друга - от глубокого вакуума до давления в тысячи ат­мосфер, от температуры жидкого гелия - 272,1 С (твердофазная полимеризация формальдегида) до +200-300 С (полимеризация этилена при высоком давлении) и т.д.

Сейчас синтетические полимеры, выпускаемые в мире, при­мерно на 75% состоят из продуктов полимеризации. Применяются они в строительстве и радиоэлектронике, машиностроении и про­изводстве бытовых изделий.

В медицине применяются изготовленные из синтетических полимеров искусственные суставы, сосуды и т.п.,полностью за­меняющие настоящие.Часто они изготавливаются из материалов на основе ВМС (полимеров) - пластмасс. При нагревании им можно придавать различную форму. На этом свойстве основано произ­водство разнообразных изделий из них. Как правило, пластмасса

Реферат опубликован: 1/06/2005 (8381 прочтено)