Nowoczesne trendy w medycynie Nowoczesne trendy w medycynie Redakcja: Monika Olszówka Kamil Maciąg Lublin 2015 Recenzenci: dr n. farm. Anna Berecka prof. dr hab. n. biol. Alicja Buczek prof. dr hab. inż. Andrzej Chwojnowski dr n. med. Marzanna Ciesielka dr n. med. Katarzyna Kocka dr Agnieszka Kuźniar dr Anna Matuszewska dr Barbara Michalec-Wawiórka dr Agnieszka Nawrocka dr Aneta Ptaszyńska dr Ewa Sajnaga dr n. rolniczych Ewa Skrzypczak dr inż. Jarosław Zubrzycki Wszystkie opublikowane rozdziały otrzymały pozytywne recenzje. Skład i łamanie: Ilona Żuchowska Projekt okładki: Agnieszka Ciurysek © Copyright by Fundacja na rzecz promocji nauki i rozwoju TYGIEL ISBN 978-83-65272-10-2 Wydawca: Fundacja na rzecz promocji nauki i rozwoju TYGIEL ul. Głowackiego 35/348, 20-060 Lublin www.fundacja-tygiel.pl Spis treści Andrzej Michniowski, Agnieszka Szyszkowska, Dagmara Galas Aplikacje materiałów polimerowych w medycynie ....................................................... 7 Robert Karpiński, Beata Górniak, Jacek Maksymiuk Biomedyczne zastosowania polimerów – materiały opatrunkowe ............................... 18 Paulina Musiał, Mateusz Stojko, Aleksandra Moździerz, Dorota Olczyk, Wioleta Kobiela, Małgorzata Juszko-Piekut, Jerzy Stojko Badania doświadczalne biozgodności tkankowej polimerów....................................... 33 Żaneta Anna Mierzejewska Biokompatybilności i osteointegracja implantów metalicznych................................... 45 Zofia Kula, Anna Laska, Hieronim Szymanowski Zastosowanie polimerów w stomatologii ..................................................................... 55 Joanna Dziedzic, Monika Smyl-Golianek, Wojciech Smagowski, Rafał Rusinek Stopy metali używane w ortodoncji.............................................................................. 67 Aleksandra Stefanowicz, Izabela Bielińska, Tomasz Wandtke Skutki uboczne materiałów stosowanych we współczesnej protetyce stomatologicznej na przykładzie materiałów odbudowujących i środków do wybielania zębów ............ 80 Aleksandra Kruk, Agnieszka Gadomska-Gajadhur, Paweł Ruśkowski Zastosowanie bioresorbowalnych rusztowań w inżynierii tkankowej. ......................... 91 Ilona Dudek, Marta Skoda, Anna Jarosz Medycyna w skali nano – grafen ................................................................................ 103 Mateusz Niścior, Monika Adamczyk, Katarzyna Tarnawska Matryce hydrożelowe – zastosowania superabsorbentów polimerowych w medycynie................................ 115 Arkadiusz Goede, Maciej Gawroński, Joanna Woźniak Mini-koliste cząsteczki DNA jako potencjalnie bezpieczne i wysoce efektywne nośniki w niewirusowym transferze genów ............................... 130 Sylwia Nisztuk-Pacek, Magdalena Surdyka Chromosom Y w molekularnych badaniach kryminalistycznych .............................. 144 Kamil Myszczyński, Łukasz Paukszto, Tomasz Molcan, Jan Paweł Jastrzębski Badanie ekspresji genów kluczem do poznania funkcjonowania organizmów – porównanie wiodących metod wysokoprzepustowych ........................................... 158 Anna Wawruszak, Katarzyna Król-Turmińska, Agnieszka Borzęcka Terapeutyczne zastosowanie wybranych inhibitorów deacetylaz histonów (HDIs) ... 173 Marek Kowalczyk Zmienność sekwencji genu GPX1 u człowieka i zwierząt modelowych ................... 183 Karolina Kasprzak, Kinga Kropiwiec, Malwina Merska Wykorzystanie genetyki molekularnej w ochronie zasobów genetycznych zwierząt gospodarskich ...................................... 200 Marta Karaźniewicz-Łada, Agnieszka Anczykowska, Karolina Wiśniewska Metoda HPLC-UV oznaczania mitotanu w osoczu krwi z przeznaczeniem do badań farmakokinetyki u ludzi ................................................. 208 Alicja Janicka, Anna Cwynar, Blanka Ziomkowska Przegląd spopularyzowanych i najczęściej stosowanych metod spektroskopowych w dziedzinach nauk medycznych i farmaceutycznych ................................................... 219 Ewa Kurzak, Piotr Kucharzewski, Ewa Mrukwa-Kominek Metoda sieciowania włókien kolagenowych w terapii schorzeń rogówki – zastosowanie i skuteczność kliniczna ...................................................................... 229 Marta Iskierka, Olga Loska Rutynowe i alternatywne materiały biologiczne w toksykologii sądowej .................. 240 Iwona Kamińska, Joanna Ortyl, Roman Popielarz Systemy monitorowania on-line reakcji polimeryzacji .............................................. 255 Łukasz Jaworski, Robert Karpiński, Daniel Gąska Telemanipulator RobIn Heart i jego zastosowanie w medycynie ............................... 270 Wioleta Kobiela, Mateusz Stojko, Paulina Musiał, Aleksandra Moździerz, Dorota Olczyk, Małgorzata Juszko-Piekut, Jerzy Stojko Ocena kliniczna skuteczności terapeutycznej maści propolisowo-pyłkowej .............. 285 Magdalena Osiak, Natalia Pająk Wpływ fazy przedanalitycznej na wynik badania laboratoryjnego ............................ 297 Indeks autorów ........................................................................................................... 309 Andrzej Michniowski1, Agnieszka Szyszkowska2, Dagmara Galas3 Aplikacje materiałów polimerowych w medycynie 1. Wprowadzenie Materiały polimerowe wykorzystywane są niemal we wszystkich gałęziach przemysłu. Mamy z nimi również styczność w codziennym życiu. Opakowania na różnego rodzaju produkty, jednorazowe reklamówki, przedmioty codziennego użytku czy też elementy budowlane wykonane są w dużej mierze z tworzyw sztucznych zbudowanych właśnie z polimerów. W Polsce rocznie produkowanych jest około 2,1 mln ton polimerów [1], przy czym światowa roczna produkcja sięga 300 mln ton [2]. Produkowane obecnie materiały polimerowe posiadają ściśle określone zastosowania i są przeznaczone do indywidualnych celów. Współczesna nauka nie mogłaby istnieć bez rozwoju wiedzy na temat polimerów. Materiały polimerowe wykorzystywane są bardzo powszechnie w medycynie. Takie polimery nazywane są polimerami biomedycznymi [3]. Są one wykorzystywane w różnych gałęziach medycyny, takich jak medycyna estetyczna, stomatologia, chirurgia, ortopedia, kardiologia, okulistyka i wiele innych. 2. Cel pracy Celem niniejszej pracy jest przegląd literaturowy najnowszych doniesień z zakresu wykorzystania polimerów w medycynie. Omówione zostały przykładowe materiały polimerowe wykorzystywane w różnych gałęziach medycyny. Zwrócono szczególną uwagę na możliwości ich zastosowania w inżynierii tkankowej, chirurgii kostnej oraz do produkcji sprzętu medycznego. 1 [email protected], Kliniczny Oddział Ortopedii i Traumatologii Narządu Ruchu, ul. Lwowska 60, 35-301 Rzeszów 2 [email protected], Zakład Chemii Organicznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza, al. Powstańców Warszawy 6, 35-959 Rzeszów 3 [email protected], Zakład Chemii Nieorganicznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza, al. Powstańców Warszawy 6, 35-959 Rzeszów 7 Andrzej Michniowski, Agnieszka Szyszkowska, Dagmara Galas 3. Materiały polimerowe w medycynie 3.1. Znaczenie materiałów polimerowych Polimery są materiałami występującymi bardzo powszechnie w przyrodzie. Niektóre z nich, tj. polisacharydy, polipeptydy czy polinukleotydy, produkowane są przez organizmy żywe. Nazywane są one biopolimerami i pełnią istotne funkcje biologiczne [4]. Przełomowym wydarzeniem, które zrewolucjonizowało przemysł biomedyczny, stało się pojawienie na rynku polimerów syntetycznych w roku 1920. Początkowo wykorzystywane były do zamykania ran lub leczenia zębów [5]. W ostatnich latach odnotowano ogromny postęp w zakresie materiałów mających styczność z organizmem pacjenta. Obecnie materiały polimerowe mogą być wykorzystywane do budowy elementów mających bezpośredni kontakt z wewnętrznymi lub zewnętrznymi częściami organizmu pacjenta, jak i do budowy aparatury oraz narzędzi medycznych. Znalazły one także zastosowanie w farmacji jako środki krwiozastępcze czy substancje wprowadzające leki do organizmu (nośniki leków). W tabeli 1 zostały zestawione przykładowe zastosowania trzech wybranych polimerów: polietylenu, polichlorku winylu oraz poliamidów [3]. Tabela 1. Zastosowania wybranych polimerów w medycynie Nazwa polimeru lub grupy Zastosowanie polimerów jednorazowe rękawiczki, polietylen strzykawki, pojemniki polichlorek winylu cewki, ustniki, wzierniki wyroby dentystyczne, pojemniki poliamidy do sterylizacji Źródło: Opracowanie własne Ze względu na styczność materiałów polimerowych z ciałem pacjenta muszą one spełniać kilka wymogów: powinny zachować swoje właściwości fizykochemiczne pomimo działania na nie wysokiej temperatury, detergentów, promieniowania rentgenowskiego czy aseptyków. Polimery, jak większość materiałów, po pewnym czasie eksploatacji mogą ulegaćdegradacji, dlatego też istotne jest również, aby produkty ich rozkładu nie wywoływały u pacjentów, stanów zapalnych, reakcji alergicznych, immunologicznych, czy jakichkolwiek innych interakcji z organizmem [3]. Na rysunku 1 zostały przedstawione wybrane obszary zastosowań materiałów polimerowych w odniesieniu do ciała pacjenta. 8 Aplikacje materiałów polimerowych w medycynie Soczewki kontaktowe Materiały stomatologiczne Sztuczne zastawki, sztuczne serca Stabilizatory kręgosłupa Protezy stawów Protezy naczyń krwionośnych Sztuczne ścięgna Stabilizatory złamań kostnych Rysunek 1. Zastosowanie materiałów polimerowych w odniesieniu do ciała człowieka [opracowanie własne] 3.2. Wykorzystanie polimerów w inżynierii tkankowej Materiały polimerowe ze względu na dużą biotolerancję znalazły zastosowanie w produkcji implantów. Pod tym pojęciem kryje się cała gama różnych elementów, które po umieszczeniu w ciele pacjenta imitują w lepszym lub gorszym stopniu naturalne ludzkie tkanki. W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie implantami biowchłanialnymi. Istotną zaletą wspomnianych materiałów jest łatwość ich użycia, duża wytrzymałość mechaniczna, a także nie bez znaczenia jest też fakt, że implantów takich nie trzeba w przyszłości usuwać. Implanty takie są rozkładane w procesie hydrolizy a następnie metabolizowane w komórkach organizmu do dwutlenku węgla oraz wody, które są następnie usuwane z organizmu [6]. Do popularnych prekursorów służących do produkcji implantów polimerowych należą w ostatnim czasie ɛ-kaprolaktony (Rys. 2), są one związkami łatwo degradującymi oraz ulegającymi reakcji polimeryzacji, w wyniku której tworzą poli(ɛ-kaprolaktony) (PCL). Substancje te cechują się dużą odpornością mechaniczną, odpornością na korozję oraz nie wchodzą w interakcje z organizmem. Materiały te rozkładają się po zakończeniu procesu leczenia[7÷9]. W inżynierii tkankowej wykorzystuje się również poli(kwas glikolowy) (PGA) oraz poli(kwas mlekowy) (PLA) przedstawione na rysunku 1, ze względu na możliwość ich łatwej degradacji [10÷13]. Przykładowo, PGA posiada szybkie tempo degradacji i po 6 miesiącach zostaje usunięte z organizmu, natomiast PCL wymaga około 2-3 lat na całkowitą degradację [10, 14]. 9 Andrzej Michniowski, Agnieszka Szyszkowska, Dagmara Galas O O n a O O O O n n CH 3 b c Rysunek 2. Wzory półstrukturalne a) poli(ɛ-kaprolaktonu) (PCL), b) poli(kwas glikolowy) (PGA), c)poli(kwas mlekowy) (PLA) [opracowanie własne] Materiały polimerowe zrewolucjonizowały takie dziedziny medycyny jak kardiologia inwazyjna oraz chirurgia naczyń, są one szeroko wykorzystywanejako sztuczne zastawki serca oraz w udrażnianiu światła zwężonych naczyń wieńcowych pod postacią tak zwanych stentów. Obecnie w medynie znalazło zastosowaniekilka rodzajów polimerów, do najpopularniejszych należą polietylen, politetrafluoroetylen, polipropylen, poliuretany oraz poli(tereftalan etylenu) [15,16]. Pierwsze badania z zastosowaniem przeszczepu naczyniowego u człowieka odnotowano już w 1954r. przez Blakemore i Voorhees[17]. Wraz z rozwojem naukizaczęto wykorzystywać coraz to lepsze materiały do produkcji implantów naczyniowych. W tabeli 2 przedstawiono wybrane materiały polimerowe wykorzystywane w leczeniu chorób sercowo-naczyniowych. Popyt rynku stał się kołem napędowym do produkcji biozgodnych polimerów. Wiele grup naukowców prowadzi badania nad syntezą i modyfikacjami już istniejących polimerów, dążąc do otrzymania materiału, który znajdzie zastosowanie w medycynie. 10