В мировой литературе материалы, изделия и препараты из которых функционируют в контакте и взаимодействии с живыми тканями, органами и организмами, принято называть «биоматериалами». Технологии их получения, исследования и применения активно развиваются в последние десятилетия и в значительной мере определяют современный уровень развития таких областей знания, как медицина и фармацевтика, косметология, биотехнология, сельское хозяйство и пищевая промышленность (life sciences and technologies).

Можно отметить целый ряд научных журналов по биоматериалам, имеющих, как правило, весьма высокий impact factor: Biomaterials, International Journal of Biomaterials, International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials, Journal of Biomaterials, Journal of Biomaterials Science, Journal of Biomedical Materials Research, Journal of Biotechnology and Biomaterials, Journal of Controlled Release, Advances in Materials Science and Engineering, Journal of Functional Biomaterials, Journal of Materials Science: Materials in Medicine и др. Издано несколько международных энциклопедий и справочников, освещающих различные вопросы, связанные с биоматериалами, например [1, 2]. Вышло три издания (1996, 2004, 2013) очень качественного учебника Biomaterials Science, рекомендованного для университетов США [3]. Активно работают международные и национальные общества, развивающие это научное направление, проводящие международные конференции и конгрессы, издающие свои журналы: International Society for Biomedical Polymers and Polymeric Biomaterials, International Union of Societies for Biomaterials Science and Engineering, International Society of Controlled Release, Society for Biomaterials (US), European Society for Biomaterials, Canadian Biomaterials Society, UK Society for Biomaterials и др. Обращает на себя внимание объем мирового рынка биоматериалов (таблица).

Разработка, исследование и производство материалов медико-биологического назначения и изделий из них регулируется стандартами группы GMP (Good Manufacture Practice). Несмотря на то, что среди биоматериалов важную роль играют металлы, неорганические и углеродные материалы, а также композиты на их основе, особое место в этой области занимают полимеры. Это определяется возможностью получения из полимеров изделий и препаратов, обладающих не только требуемыми физико-техническими характеристиками, но и способностью набухать и растворяться в воде, что несвойственно другим группам биоматериалов. Причем, как правило, полимерные биоматериалы производятся в относительно небольших объемах, однако по ассортименту и разнообразию свойств и характеристик они значительно превосходят другие группы полимерных материалов [4].

Область биоматериалов — ярко выраженная междисциплинарная область, в которой используют достижения химии, физики, медицины, биотехнологии, металлургии, электроники. Это определяет особенности подготовки специалистов по биоматериалам. В настоящее время программы бакалавриата и магистратуры существуют в более чем 250 университетах мира (большей частью в США). В России магистерские программы есть в Российском химико-технологическом университете имени Д. И. Менделеева, Санкт-Петербургском политехническом университете, Сибирском федеральном университете (Красноярск), Московском университете дизайна и технологии.

Можно выделить несколько важнейших направлений использования биоматериалов [5]:

• материалы, используемые для создания имплантатов и эндопротезов, в том числе способных к биодеградации и применяемых в сердечно-сосудистой, костной хирургии, офтальмологии, зубоврачебной технике, при замещении мягких тканей, обработке ран и ожогов, при изготовлении рассасывающихся шовных материалов и др.;
• материалы, применяемые при создании систем, обладающих биологической, в частности лекарственной, активностью;
• материалы, используемые в биоинженерных технологиях (клеточной, тканевой и генной) в качестве носителей и подложек для выращивания новой живой ткани и доставки генетического материала в клетку;
• материалы, применяемые для создания разделительных (обычно — сорбционных и мембранных систем), находящих применение в медико-биологических областях, например в аппаратах, используемых в гемодиализных и гемосорбционных устройствах, в том числе с электрочувствительным покрытием;
• материалы для биохимических методов анализа и синтеза, используемые, в частности, при создании микрочипов, носителей для полипетидного и полинуклеотидного синтеза;
• материалы, применяемые для получения систем, обладающих энзиматической активностью, в частности содержащих иммобилизованные ферменты, органеллы и клетки;
• материалы, используемые для создания изделий, не контактирующих при применении непосредственно с кровью и лимфой, например контактные линзы и устройства для внешнего остеосинтеза;
• биодеградируемые материалы общего назначения, в том числе разрушаемые после использования микроорганизмами.

Полимерные имплантаты [4, 5, 6, 7, 8, 9]

Полимерные материалы являются основой многих групп имплантатов — объектов, вводимых в организм хирургическими методами и функционирующих в условиях полного или частичного окружения живыми тканями. Имплантаты, вводимые вместо удаленных внутренних органов или их фрагментов, принято называть эндопротезами.

В зависимости от способности материала имплантата к распаду под действием окружающих сред наблюдается или постепенное уменьшение массы и объема вводимых в организм объектов (процесс биодеградации), или, в случае нераспадающегося или медленно распадающегося материала, образование вокруг имплантата тонкой тканевой оболочки (капсулы), которая является защитной реакцией организма на появление чужеродного объекта [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17].

В настоящее время имплантаты широко используют при хирургических операциях. Наиболее крупной группой имплантатов являются имплантаты, используемые при операциях в сердечно-сосудистой системе, системах, образованных костной и мягкими тканями, офтальмологии, зубоврачебной технике. Отдельные группы имплантатов составляют различные изделия, используемые при поражениях кожного покрова, в том числе после раневого и ожогового поражения, а также шовные материалы, материалы, используемые для создания имплантатов для зубоврачебной техники, офтальмологии и др.

Имплантаты в сердечно-сосудистой системе [18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]

Так, при создании имплантатов для сердечно-сосудистой системы, контактирующих с кровью (эндопротезы сосудов, клапанов сердца, целого сердца, системы вспомогательного кровообращения — эндопротезы левого желудочка, вводимые в аорту пульсирующие баллончики, покрытия проводов электрокардиостимуляторов), используют материалы, обладающие высоким уровнем гемосовместимости. Эти материалы не должны стимулировать разрушение и денатурацию молекулярных и клеточных компонентов крови, не должны влиять на водно-солевой баланс и рН крови, а также не должны вызывать образование тромба (тромборезистентность).

Среди полимеров, обладающих повышенной гемосовместимостью, практическое применение нашли «сегментированные» полиуретаны (блоксополиуретаны, содержащие гибкие блоки, например простых и сложных полиэфиров, поликарбонатов, полисилоксанов, и блоки, обеспечивающие хорошее межмолекулярное взаимодействие), а также полиэтилентерефталат, фторсодержащие карбоцепные полимеры (вспененный политетрафторэтилен, фторлоны), полисилоксаны, углеродсодержащие композиты.

В то же время поиск материалов, обладающих лучшей гемосовместимостью, чем применяемые в настоящее время, продолжается. В частности, следует отметить разработку поверхностей с нанесенным гидрогелевым слоем, с иммобилизованными тромболитиками и антикоагулянтами, наконец, иммобилизованными на поверхности эндопротеза эндотелиальными клетками.

На рис. 1, рис. 2, рис. 3 представлены примеры протезов, использующихся в сердечно-сосудистой хирургии.

Имплантаты в костной системе [1, 3, 6, 9, 28, 29]

Широко используются имплантаты при операциях в костной системе — в качестве фрагментов, замещающих разрушенные или удаленные части костей, элементов конструкций искусственных суставов, крепежных деталей, соединяющих костные разломы при внутреннем остеосинтезе. Для их изготовления применяют полимеры и композиты с углеродными и неорганическими наполнителями, в частности гидроксиапатитом.

Применяемые в создании костных имплантатов полимеры должны или обладать высокой стойкостью к биодеградации (например, полимеры, используемые для изготовления эндопротезов суставов), или распадаться при создании изделий, которые должны постепенно замещаться живой тканью (например, крепежные детали для внутреннего остеосинтеза, пломбировочные составы).

Из небиодеградируемых полимеров, используемых для создания костных имплантатов, можно отметить полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы, полисульфоны, полиформальдегид. В создании биодеградируемых имплантатов все большее значение приобретают полиэфиры гидроксикарбоновых кислот, в первую очередь, гликолевой, молочной, гидроксимасляной, и их сополимеры, распадающиеся в тканях организма с образованием безвредных метаболизируемых фрагментов.

В качестве полимерной основы клеев и цементов для крепления эндопротезов суставов и костных отломов применяют полиакрилаты («акриловый цемент»), поли-α-цианакрилаты, сополиуретаны.

На рис. 4 и рис. 5 представлены примеры протезов тазобедренного и коленного суставов.

Имплантаты, вводимые в мягкие ткани [5, 7]

Наиболее хорошо изученными имплантатами для замещения мягких тканей являются грудные эндопротезы, представляющие собой емкости из полисилоксановых резин и содержащие подвижный наполнитель, вводимый через катетер до или после введения эндопротеза. Несмотря на массовое использование таких имплантатов, проблема оптимизации их наполнителя остается не окончательно решенной, т. к. применяемые в разных конструкциях слабо сшитые полисилоксановые гели, масляные эмульсии и солевые растворы обладают определенными недостатками с точки зрения безвредности и механических характеристик.

Для заполнения послеоперационных полостей в мягких тканях используют эластичные, в том числе вспененные и гидрогелевые материалы (полисилоксаны, пенополиуретаны). При замещении ряда внутренних мембранных элементов, например реконструкции брюшной и грудной стенок, предложено использовать полимерные сетки, которые в процессе функционирования прорастают соединительной тканью (сетки из полиолефинов, вспененного политетрафторэтилена).

Пока не нашли широкого применения клеи для склеивания мягких тканей во время или после операций, хотя разработанные для этих целей клеи на основе полиэфируретанов, цианакрилатов, белков в ряде случаев показывают неплохие результаты. Известными недостатками таких систем являются сложность обеспечения достаточного уровня адгезии и эффективного отвердения в условиях сильного обводнения склеиваемых объектов и низкая прочность клеевого соединения.

Отдельные группы биоматериалов, имплантируемых в мягкие ткани, составляют мягкие полимерные имплантаты и инжектируемые полимерные системы косметического назначения, а также полимерные сетки.

Эндопротезирование связок и сухожилий [5, 7]

Важную роль в ортопедической хирургии играют эндопротезы связок и сухожилий. Так, применение нашли пористые ленты из полиэтилентерефталата и вспененного политетрафторэтилента. Активно исследуют использование для замещения связок и сухожилий способных к биодеградации полиэфиров гидроксикарбоновых кислот. Такие эндопротезы должны замещаться живой тканью.

Следует отметить, что до сих пор эндопротезы мышечной ткани, обладающие удовлетворительными свойствами, не разработаны, хотя известны работы в области создания полимеров, меняющих свои размеры в зависимости от электро-физических характеристик окружающей среды.

Покрытия для лечения ран и ожогов [5, 7]

Интенсивные работы проводятся по созданию эффективных покрытий для лечения раневых и ожоговых поражений. Сложность решаемых при этом задач во многом определяется тем, что для различных стадий процесса заживления требуются материалы с различным сочетанием характеристик (газопропускающие пленочные и дисперсные сорбирующие, изолирующие и биологически активные материалы). Тем не менее промышленностью выпускается значительный ассортимент таких материалов, в том числе содержащих несколько полимерных слоев, выполняющих различные функции, в которых используют в различных сочетаниях такие полимеры, как кремнийорганические блоксополимеры, полиэфиры гидроксикарбоновых кислот, полиэфируретаны, поливиниловый спирт, альгинаты, коллаген, хитозан, хондроитинсульфаты и ряд других.

Полимерные имплантаты в стоматологии [5, 7]

К использованию полимерных имплантатов в стоматологии может быть отнесено создание полимерных пломбировочных материалов. При этом наибольший интерес представляют различные отверждаемые низкомолекулярные или олигомерные системы, содержащие ненасыщенные (мет)акрилатные группы, эпоксидные соединения и поликарбоксилатные комплексы переходных металлов. В то же время следует отметить, что широко используемые в настоящее время имплантируемые в десна зубные эндопротезы изготавливают из металлов и неорганических биоматериалов.

Имплантаты в офтальмологии [5, 7]

Важное место занимают полимерные имплантаты в офтальмологии. Так, нашли широкое применение имплантаты хрусталиков: монофокальные и мультифокальные интраокулярные линзы, изготавливаемые из полиметилметакрилата и сополимеров акрилатов, кремнийорганических материалов; имплантируемые контактные линзы и внутрироговичные сегменты из полиметилметакрилата, сополимеров коллагена и акрилатов); устройства, снижающие внутриглазное давление — шунты (кремнийорганические трубки) и клапаны, для изготовления которых используют полиолефины, полиметилметакрилат, сшитые силиконы.

Шовные материалы [5, 7]

Отдельной группой широко применяемых имплантатов являются шовные материалы, вернее, их нитяной компонент. Комплекты шовных нитей, как правило, содержащих помимо мультиволоконной части функциональное полимерное покрытие, выпускаются многими фирмами. В настоящее время распространены шовные нити как из небиодеградируемых полимеров (полипропилена, полиамидов, вспененного политетрафторэтилена, полиэтилентерефталата, шелка, хлопка, льна), так и биодеградируемых (кетгута, полиэфиров гидроксикарбоновых кислот). В полимерные покрытия шовных волокон (полисилоксаны, сополимеры этиленоксида и пропиленоксида, сополимеры N-винилпирролидона и акрилатов) вводят красители, гемостатики и антимикробные вещества.

Полимеры в биологически активных системах [30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40]

Полимерные биоматериалы используют для создания систем, обладающих различной биологической активностью, т. е. способностью воздействовать на биологические объекты (в том числе на организм человека), регулируя их жизнедеятельность, что проявляется в стимулировании, угнетении, развитии тех или иных признаков и т. п. Крайним проявлением биологической активности является биоцидное действие, когда в результате воздействия вещества (биоцида) на организм последний погибает.

Биологически активные системы, содержащие полимерные компоненты или фрагменты, создают для реализации различных типов активности: не только стимулирующих протекание биологических процессов, но и ингибирующих их и обладающих биоцидной активностью. Можно выделить две группы подобных систем. к первой можно отнести формы с нехимически введенным биологически активным веществом (БАВ), ко второй — полимерные вещества, обладающие биологической активностью.

Формы, содержащие БАВ, химически не связанное химически с полимерами

Системы, содержащие полимеры, в которые введены не связанные химически с полимерными компонентами вещества, обладающие различными типами биологической активности, широко применяют в медицине. Такие системы нерастворимы в воде, и попадание включенного в них активного вещества в ткани организма происходит за счет диффузионных процессов или в результате распада системы, в том числе эрозионного. Можно выделить две группы таких препаратов: формы, полимерные компоненты которых не влияют на скорость выделения БАВ, и формы в которых полимерный компонент определяет скорость его выделения.

Примерами полимерных компонентов, не влияющих на скорость выделения БАВ, являются порошкообразные полимерные наполнители таблеток, компоненты, облегчающие их прессование и неприлипаемость к прессформам. Обычно в качестве таких компонентов используют крахмал, поливиниловый спирт и другие биологически нейтральные полимеры.

Все более важное значение приобретают формы с нехимически введенным БАВ, в которых полимерный компонент определяет скорость попадания БАВ в живые ткани. Такие нерастворимые системы, так же как и полимеры, из которых БАВ выделяется за счет постепенного распада его химической связи с полимерным носителем (будут рассмотрены далее), принято называть системами с контролируемым выделением активного вещества. Эти системы позволяют исключить или уменьшить влияние такого недостатка БАВ, как узость диапазона положительно действующих доз и концентраций, превышение которых приводит к побочным эффектам, когда лекарственные вещества, помимо попадания в пораженные органы, распространяются по организму, оказывая острое токсическое, аллергическое, канцерогенное действие. Это затрудняет точное дозирование используемого БАВ. Кроме того, побочное действие не позволяет ввести в организм такое количество БАВ, которое обеспечивает необходимое во многих случаях длительное действие препарата. При применении БАВ, подвергающихся вымыванию, улетучиванию, биодеградации (что часто наблюдается при использовании пестицидов), а также изменению структуры (например, это характерно для белковых лекарственных соединений), для достижения положительного эффекта требуется использование завышенных доз препарата или его многократное введение, что значительно удорожает его применение.

Принцип контролируемого выделения используют во многих формах БАВ. Так, широко распространены и хорошо известны таблетированные формы лекарственных веществ. Наиболее часто их применяют как препараты для энтерального введения, но известны таблетированные формы, предназначенные для подкожной имплантации.

Распространение получили полимерные покрытия таблеток, доставляющих лекарственное вещество в требуемую область желудочно-кишечного тракта. Например, используемые для создания таких покрытий полимеры, выпускаемые под маркой Eudragit (Германия), содержат ионогенные группы, определяющие растворимость полимеров в средах с различным рН. Так, таблетки, покрытые полимером, содержащим основные группы, например сополимерами диметиламиноэтилметакрилата с метил- или бутилметакрилатами, распадаются в кислой среде желудка. В то же время таблетки, покрытые полимерами с кислотными группами, например сополимерами акриловой кислоты и этилметакрилата или метакриловой кислоты и метилметакрилата, устойчивы в желудке и распадаются в средах кишечника, в разных участках которого рН колеблется от 7,2 до 9,0.

Пролонгированное действие препарата и понижение его побочного действия, например неприятного запаха и горького вкуса, обеспечивает включение его в микро- и макрокапсулы.

Широкое распространение получили различные макромолекулярные системы, в которых БАВ включено в массу полимера, откуда оно поступает в организм за счет диффузии или после постепенного растворения носителя. Полимерные лекарственные пленки, содержащие БАВ, используют в офтальмологии, в профилактике ишемической болезни. Они хорошо хранятся и легко применяются приклеиванием к слизистой поверхности глаза, десны (трансмукозальные препараты). Для доставки лекарственных препаратов используют и другие полимерные системы, функционирующие сходным образом, например покрытия шовных материалов или сами волокна с включенным БАВ, катетеры, содержащие введенные в массу антисептики и т. п.

Трансдермальные системы (многослойные, наклеивающиеся на кожу терапевтические системы) — одна из наиболее перспективных форм лекарственных веществ, использующих полимеры, в виде накожных наклеиваемых пластырей и специальных устройств. В общем случае трансдермальные системы состоят из: верхнего покровного слоя; диффузионного слоя или резервуара, содержащего БАВ; полимерной пленки, контролирующей за счет диффузии поступление активного вещества; адгезионного слоя, удерживающего систему на коже и обеспечивающего контакт с ней; защитной пленки адгезионного слоя, снимаемой перед наклеиванием системы на кожу. Диффундирующее из системы БАВ проникает через кожный покров и, достигая подкожных сосудов, разносится по организму.

В последнее время серьезное внимание уделяют наноразмерным носителям лекарственных препаратов, в первую очередь, липосомам, в том числе модифицированным амфифильными полимерами, наносферам, дендримерам, наноагрегатам. Оптимальные пути применения коллоидных систем, содержащих наночастицы — инъекционное (например, внутривенное), ингаляционное, пероральное введение. Используют наночастицы и в составе глазных капель.

Разрабатывают также системы доставки БАВ в заданных условиях или в ответ на условия внешней среды. Такие системы получили название «умных систем» (smart, intelligent) или систем, действующих по принципу обратной связи. В какой-то мере эти системы моделируют процессы, протекающие в организме, и при соответствующей доработке могут быть физиологически оптимальными терапевтическими системами.

Отдельный подход, обеспечивающий доставку лекарственных веществ к пораженному органу, включает введение в лекарственный препарат ферромагнитных веществ с последующим наложением магнитного поля на больной орган.

Следует отметить, что полимерные формы с контролируемым выделением БАВ находят применение не только в медицине. Примерами таких форм могут служить капсулированные в полимерную оболочку удобрения, применение которых значительно уменьшает расход этих элементов питания растений, фумигантные устройства и пролонгированные формы феромонов, используемые в ловушках для вредных насекомых, полимерные противообрастающие покрытия, применяемые для покраски днищ судов.

Биологически активные полимеры

Большое значение имеют полимеры, обладающие собственной биологической активностью, определяемой их макромолекулярной природой. В ряде случаев они моделируют природные полимеры и могут быть использованы для замещения природных компонентов крови. В первую очередь, это относится к макромолекулярным компонентам кровезаменителей. Такие полимеры выполняют две важные функции белков крови: обеспечивают поддержание осмотических свойств крови (компоненты противошоковых заменителей или кровезаменители гемодинамического действия) и комплексование с попадающими в кровь токсичными веществами (компоненты кровезаменителей дезинтоксикационного действия). К кровезаменителям относятся также переносчики кислорода, их полимерные формы — препараты модифицированного гемоглобина.

В качестве компонентов кровезаменителей используют водорастворимые неионогенные полимеры. Так, в случае компонентов кровезаменителей гемодинамического действия полимер должен иметь достаточно высокую молекулярную массу (не менее 50–60 кДа). В качестве основы препаратов этого типа используют полимеры природного происхождения (после определенной химической модификации), способные к последующей биодеструкции в организме и выведению из него. К ним относятся декстран, частично гидроксиэтилированный крахмал и получаемый из коллагена денатурированный белок желатин.

Полимерными компонентами специальной группы дезинтоксикационных кровезаменителей служат полимеры с молекулярной массой около 10 кДа. Они легко выводятся из организма с мочой через почки, поэтому в этих препаратах используют карбоцепные полимеры — поли-N-винилпирролидон (препараты «Гемодез» и «Неогемодез» производства компании «Биохимик», Россия), поли-N-(2-гидроксипропил)метакриламид (чешский препарат Duxon), поливиниловый спирт (препарат «Полидез» производства НПФ «Химитек», Россия). Эти полимеры обладают высокой комплексообразующей способностью по отношению к различным токсикантам.

Следует отметить, что объем производства полимерных компонентов кровезаменителей гемодинамического и дезинтоксикационного действия превышает объем производства других лекарственных полимеров.

Собственной биологичекой активностью — микробицидной, адъювантной, коагулянтной, антикоагулянтной — обладают также водорастворимые полиэлектролиты, полимеры с катионными, анионными, N-оксидными группами, например полиоксидоний (сополимер N-окиси 1,4-этиленпиперазина и (N-карбоксиэтил)-1,4-этиленпиперазиний бромида), обладающий иммуномодулирующим действием и  используемый в качестве адъюванта при создании искусственных вакцин.

Также можно отметить несколько групп высокомолекулярных соединений, в которых БАВ или группировка, определяющая активность, связаны с полимером химической связью, которая не разрушается во время функционирования системы. В частности, это относится к стабилизированным (иммобилизованным) ферментам, в том числе применяемым в составе водорастворимых лекарственных препаратов. Связывание фермента с полимерным носителем или модификатором позволяет повысить его устойчивость к денатурации, а для нерастворимых форм — обеспечить многократное участие в ферментативном процессе. Лучше всего исследованы препараты модифицированного декстраном фермента стрептокиназы (российский препарат производства компании «Омела»), используемого в качестве эффективного фибринолитического средства.

Другим примером систем с постоянным связыванием (иммобилизацией) является группа иммуноактивных полимеров, представляющих собой конъюгат полимерного носителя и активной, обычно низкомолекулярной группировки (гаптена), вызывающей раздражение рецепторов иммунокомпетентных клеток. В частности, работы по этому направлению привели к разработке серии вакцин, представляющих собой конъюгаты полиоксидония с рядом антигенов — гемагглютинином и нейраминидазами трех вирусов гриппа: А (H1N1 и H3N2) и B (вакцина «Гриппол» производства компании «НПО Петровакс Фарм», Россия), а также аллергоидом пыльцы тимофеевки (вакцина «Тимпол»), аллергоидом пыльцы березы (вакцина «Берпол») и аллергоидом пыльцы полыни (вакцина «Полпол»).

Биологически активные полимеры с БАВ

Отмечаемые во многих случаях существенные недостатки низкомолекулярных лекарственных веществ, а также других биорегуляторов и биоцидов — неоптимальные дозы и концентрации, ограниченное время действия, быстрое побочное расходование, недостаточная растворимость — могут быть устранены или значительно нивелированы при использовании БАВ в виде гидролизуемых во времени химических соединений с носителями или модификаторами, в качестве которых чаще всего используют различные полимеры. Такое химическое соединение фактически является новым биологически активным полимером, отличающимся химическим строением от исходного полимера-носителя. При этом химическая связь БАВ с полимерным носителем может разрушаться с определенной скоростью, как правило, за счет гидролиза, иногда с участием ферментных систем. Скорость такого постепенного (пролонгированного) выделения можно регулировать строением полимера или конструкцией биологически активной системы. Это позволяет назвать такие системы, так же как и рассмотренные ранее формы с регулированием выделения БАВ, системами с контролируемым выделением БАВ (controlled release systems).

В отличие от нерастворимых лекарственных форм, полимерные производные БАВ могут быть получены в водорастворимом виде, что определяет широкие возможности их использования. В этих системах контролируемое выделение активного вещества обеспечивает длительное действие препарата без передозировки и, следовательно, побочного действия. Кроме того, одним из важнейших направлений разработки новых систем с контролируемым выделением активного вещества является создание полимеров, целенаправленно доставляющих лекарственное вещество в пораженный орган.

Полимерными носителями для описываемой группы систем чаще всего выступают производные поли-N-винилпирролидона, поли(N-2-гидроксипропил)метакриламид, поливиниловый спирт, декстран.

Следует отметить, что кроме полимеров, обладающих лекарственными свойствами, описаны системы, обладающие различной биорегулирующей или биоцидной активностью по отношению к другим группам организмов, например росторегулирующей активностью по отношению к растениям, фунгицидной активностью и т. п. [41, 42, 43].

Полимеры в биоинженерных методах [44, 45]

Процессы и методы, входящие в сферу понятия «биоинженерия», принципиально направлены на оптимизацию жизнедеятельности клеточных систем с целью получения практически ценных продуцентов и тканей, используемых при замещении и возмещении тканей и органов. Практическая реализация биоинженерных методов во многом опирается на использование различных полимерных носителей и подложек. Хотя методы, связанные с биоинженерией, принято подразделять на клеточную, генную и тканевую инженерию, на практике они часто дополняют друг друга.

Клеточная инженерия, представляющая собой область биотехнологии, основана на культивировании клеток и тканей, способных в свободном состоянии (вне организма) продуцировать нужные вещества. Культивирование часто проводят с использованием пористых микроносителей, например производных диэтиламиноэтилдекстрана, сефадексов (сшитого дестрана). Глубинное выращивание клеток может быть реализовано при их предварительном капсулировании в полупроницаемых полимерных микрокапсулах, оболочка которых (сшитые полилизин, агароза) пропускает питательные вещества.

Тканевая инженерия, направленная на культивирование клеточных культур с воспроизведением пораженных или утраченных тканей, является одним из наиболее перспективных направлений медицины и основана на формировании требуемой тканевой структуры из нанесенных на определенную подложку клеток, в частности стволовых.

Основой тканевой инженерии как дисциплины послужили в том числе практические разработки по созданию «искусственных» органов и тканей и работы по трансплантации клеток и биологически активных компонентов на носителях для восстановления повреждений в различных тканях организма. Основной принцип данного подхода заключаются в разработке и применении при имплантации в поврежденный орган или ткань носителей из биодеградируемых материалов, которые используются в сочетании с донорскими клетками и/или с биоактивными веществами. Для воспроизведения требуемой ткани в организме культивированные клетки должны определенное время находиться на носителе: при его слишком быстрой биодеградации клетки могут вымыться из области функционирования вместе с биологическими жидкостями. С другой стороны, слишком долгое существование подложки препятствует нормальному процессу воспроизводства требуемой ткани или органа. Среди полимеров, удовлетворяющих описанному требованию к подложкам, заслуживают внимания полигликолид, полилактид, сополимеры гликолевой и молочной кислот, поликапролактон, полипропиленфумарат, полиангидриды, полиортоэфиры.

Генная инженерия, использующая достижения целого ряда наук — молекуярной биологии, цитологии, генетики — по характеру научных подходов и технологических приемов близка к целенаправленной доставке лекарственных препаратов, поскольку ее конечной задачей является доставка в клетку нуклеиновых кислот или их фрагментов. Наиболее технологически приемлемым методом доставки генетического материала в клетку является эндоцитоз его комплексов с полимерными носителями, в качестве которых чаще всего используют поликатионы (полиэтиленимин, полилизин и т. п.). Этот метод (трансфекция) имеет существенные преимущества перед другими методами доставки генетического материала: сонопорацией, электропорацией, микроинъекцией, использованием вирусных носителей. Наиболее продвинутыми биологическими объектами для приложения методов генной инженерии являются микроорганизмы и клетки растений, хотя в последнее время появились работы по генноинженерным животным. Для человека генная инженерия может стать эффективным средством борьбы с генетическими нарушениями и предрасположенностью к определенным заболеваниям.

Полимеры в биокаталитических процессах [46, 47, 48, 49]

Создание искусственных биокатализаторов, основанных на различных модификациях ферментов, имеет большое значение не только для медицины биоинженерных процессов, биоаналитических систем, что отмечено в настоящем обзоре в соответствующих разделах. Весьма важную роль такие биокатализаторы играют и в процессах промышленной биотехнологии. Это связано с существенными недостатками ферментов, выделяемых из живых тканей, в частности с неустойчивостью их глобулярной структуры к различным воздействиям (подверженность денатурация). Это относится как к простым, так и к сложным ферментам, содержащим в своей структуре помимо белковой также небелковую составляющую (кофермент). Другим существенным технологическим недостатком ферментов является их растворимость в воде, в которой в большинстве случаев проводятся промышленные ферментативные процессы, что затрудняет их выделение после окончания процесса и повторное использование.

Эти недостатки удалось в значительной мере нивелировать связыванием белковой макромолекулы фермента с нерастворимым носителем, который может быть достаточно легко отделен от реакционной смеси и использован повторно, например в реакторах с перемешив