Polimery jako biomateriały

Polimery

Formy implantów

• Membrany

• Gąbki

• Włókna

• Kształtki lite i porowate

• Matryce kompozytów i nanokompozytów

• Właściwości mechaniczne dopasowane do 

tkanek

• Modyfikacja powierzchni – sterowanie 

odpowiedzią biologiczną

Polimery w medycynie 

• Polimery pochodzenia naturalnego – 

biopolimery

• Hydrożele w medycynie

Białka

Polisacharydy 

(wielocukry)

Kolagen 

Kwas hialuronowy

Soja

Kwas alginowy i alginiany
Chityna i chitozan
Celuloza

Właściwości: 

Budują naturalną substancję międzykomórkową (ECM) 

(biozgodność)

Pochodzenia obcogatunkowego (możliwa odpowiedź 

immunologiczna)

Utrudnione przetwórstwo (izolacja, trudności w uzyskiwaniu 

produktów o powtarzalnych właściwościach)

Biopolimery

Kolagen - właściwości

-Kolagen jest polimerem bioresorbowalnym, 

nierozpuszczalnym w wodzie. 

Ulega  denaturacji  pod  działaniem  podwyższonych 

temperatur, 

detergentów, 

roztworów 

soli, 

rozpuszczalników 

organicznych, 

ultradźwięków, 

stężonych kwasów i zasad. 
 

Umożliwia  to  uzyskania  materiału  o  pożądanej  masie 

cząsteczkowej, rozpuszczalnego w wodzie lub innych 
rozpuszczalnikach organicznych. 

Kolagen – zastosowanie w medycynie

nici chirurgiczne

kleje tkankowe

porowate struktury dla 

inżynierii 
tkankowej i 
medycyny 
regeneracyjnej

 

wypełniacze ubytków 

kostnych i 
ubytków tkanki 
miękkiej dla celów 
kosmetycznych 

 

Polisacharydy (wielocukry)

Celuloza 

-jest zbudowana tylko 
z jednego rodzaju monosacharydu, 
-D-glukozy:

- łańcuchy celulozy są zgrupowane w wiązki 
i związane ze sobą wiązaniami wodorowymi 
utworzonymi między sąsiednimi grupami 
hydroksylowymi.
- silne wiązania międzycząsteczkowe a także 
regularna struktura łańcucha powodują, że 
celuloza ma:

- bardzo wysoki stopień krystaliczności, 
- temperaturę topnienia przewyższającą 
temperaturę rozkładu

 

- bardzo niewielką rozpuszczalność. 

Zastosowanie w medycynie:
Membrany do dializy - Kuprophan

 

O H

H

C H O H

2

H

H O

H

H

H

O

C H O H

2

H

H

H

O

H

H O

O H

H

O

O

O

C H O H

2

H

H

H

H

H O

H

O

O

O H

 

Polisacharydy (wielocukry)

Alginiany 

-  to biodegradowalne polisacharydy otrzymywany przemysłowo 
z brązowych alg morskich

- kwas alginowy jest liniowym blokowym kopolimerem kwasu -

D-manuronowego (M) i -L-guluronowego (G) połączonych 

wiązaniami glikozydowymi; 

- poszczególne łańcuchy polimeru mogą zawierać segmenty 
typu MM, GG, oraz MG i są powiązane ze sobą wiązaniami 
wodorowymi. 

Struktura M-G-M-G kwasu alginowego

M

G

M

G

Alginiany mają zdolność tworzenia trwałych żeli w wyniku reakcji z solami wapnia.
 Żelowanie alginianów to wynik grupowania się segmentów kwasu poliguluronowego 
w agregaty, w których jony wapnia są rozmieszczone w przestrzeniach między-
łańcuchowych

 

Polisacharydy (wielocukry)

Alginiany 

Właściwości

Alginian sodu - rozpuszczalny w wodzie, alginian wapnia - 
nierozpuszczalny w wodzie. Przez dobór odpowiednich proporcji 
między alginianem sodu i wapnia można kontrolować ich 
rozpuszczalność i degradację in vivo. 

Zastosowanie w medycynie

- materiały opatrunkowe w postaci włóknin, tkanin, dzianin 

nie przylegają do ran z wysiękiem, 
absorbują wysięk, utrzymują wilgoć 
i przyśpieszają gojenie ran skóry 

(właściwości hydrofilowe),

- nośniki do kontrolowanego uwalniania leków 

- materiały podłożowe w inżynierii tkankowej

- bioenkapsulacja komórek 

 

Polisacharydy (wielocukry)

Chityna

Struktura chityny przypomina celulozę z tym wyjątkiem, że grupy 
hydroksylowe  w  pozycji  2  zostały  zastąpione  przez  grupy 
acetyloaminowe. 

H

C H O H

2

H

H O

H

H

H

O

C H O H

2

H

H

H

O

H

H O

H

O

O

O

C H O H

2

H

H

H

H

H O

H

O

O

C O C H

3

N H

C O C H

3

N H

C O C H

3

N H

 

O H

H

C H O H

2

H

H O

H

H

H

O

C H O H

2

H

H

H

O

H

H O

O H

H

O

O

O

C H O H

2

H

H

H

H

H O

H

O

O

O H

chityna

celuloza

 

Polisacharydy (wielocukry)

Chitozan

- jest pochodną chityny otrzymywaną przez jej deacetylację 
(hydrolizę grup N-acetyloaminowych), 
- w większości przypadków deacetylacja obejmuje około 80% grup 
N-acetyloaminowych, pozostałe 20% nie ulegają zmianie.

H

C H O H

2

H

H O

H

H

H

O

C H O H

2

H

H

H

O

H

H O

H

O

O

O

C H O H

2

H

H

H

H

H O

H

O

O

N H

2

N H

2

N H

2

H

C H O H

2

H

H O

H

H

H

O

C H O H

2

H

H

H

O

H

H O

H

O

O

O

C H O H

2

H

H

H

H

H O

H

O

O

C O C H

3

N H

C O C H

3

N H

C O C H

3

N H

chityna

chitozan

kraby

krewetki

1. Łatwo poddaje się modyfikacji powierzchniowej
2. Posiada zdolność tworzenia żeli

• nierozpuszczalny w wodzie

• niektóre rodzaje tych polimerów rozpuszczają się w 1% wodnym roztworze
     kwasu octowego, co wykorzystano do ich przetwarzania, np. na włókna, 

• polimery biodegradowalne. 

Chitozan

Właściwości biologiczne chityny i 

chitozanu

• Degraduje do normalnych 

metabolitów

• Nietoksyczny 
Posiada właściwości;
•  bakteriostatyczne
•  antynowotworowe
•  antygrzybicze       

 

Polisacharydy (wielocukry)

Chityna / Chitozan

Zastosowanie w medycynie:

gąbki do tamowania krwi 

protezy naczyniowe 

folie do pokrywania ran powstałych w wyniku 
oparzeń skóry 

sztuczna skóra

pokrycia soczewek kontaktowych 

struktury porowate w inżynierii tkankowej 

Ograniczenia w wykorzystaniu 

chityny i chitozanu w medycynie

1. Wysokie koszty przetwórstwa – 

wysokie koszty materiału

2. Brak stałych źródeł materiału o 

powtarzalnych właściwościach

 

3. Wysoka cena powodująca niski 

rynek nie pokrywający kosztów 

otrzymywania materiału 

 

Polisacharydy (wielocukry)

   
Kwas hialuronowy

 

Struktura kwasu hialuronowego

(A. Kwas D-glukoronowy; B. N-acetyloglukozamina)

- jest składnikiem matrycy zewnątrzkomórkowej tkanki łącznej,

-występuje w cieczach szklistej i wodnistej oka, płynie maziowym, 
skórze i pępowinie

-posiada unikalne własności wiązania i zatrzymywania wody, co 
wynika ze zdolności tworzenia wiązań wodorowych między 
grupami karboksylowymi i N-acetylowymi kwasu hialuronowego a 
cząsteczkami wody

O H

C H O H

2

N H C O C H

3

O

H

H O

H

H

H

H

H

H

H

H

H

O H

O

O

O

O

-

C O O

A

B

Polimerowe nośniki leków

Hydrożele

• Hydrożel to usieciowany, hydrofilowy polimer, 

który posiada zdolność do 

absorbcji dużych 

ilości wody

, pęcznienia i tworzenia struktur 3D.

• Hydrożele posiadają zdolność 

• pochłaniania wody jej wydzielania 

• Proces ten sterowany być może 
    czynnikami zewnętrznymi takim jak; 
    temperatura, pH, pole magnetyczne, 
    impulsy elektryczne. 

Hydrożele jako biomateriały

• Wchiterle, Lim 1960 – soczewki z 2-

hydroksyetylometakrylanu –PHEMA

• Hydrożele – wysoka zawartość wody, 

miękkie, elastyczne, zbliżone 

parametrami mechanicznymi do tkanek 

miękkich

• Niskie napięcie powierzchniowe, znikoma 

adhezja w środowisku biologicznym

• Wysoka zdolność do dyfuzji z wnętrza i 

do wnętrza struktury hydrożelu

Woda w hydrożelu – struktura wody

• Woda podstawowa- uwodnienie 

hydrofilowych grup polarnych

• Woda drugorzędowa- rozwijanie 

łańcuchów, oddziaływania z grupami 
hydrofobowymi

• Wolna woda – wypełnia pory i puste 

przestrzenie

Hydrożele

• Woda w hydrożelu stanowi medium 

transportowe dla dyfuzji substancji, a stopień 

sieciowania matrycy polimerowej wpływa na 

własności ich transportu przez materiał.

• Zmieniając masę cząsteczkową polimeru 

pomiędzy wiązaniami poprzecznymi w sieci 

hydrożelu można otrzymać materiał będący 

rodzajem selektywnego sita molekularnego, 

stanowiącego barierę dla dużych cząsteczek 

np. immunoglobulin, a umożliwiającego 

dyfuzję mniejszych cząsteczek tj. glukoza czy 

insulina.

Rodzaje hydrożeli 

-

• Hydrożele stałe (chemiczne) – to takie 

w których pomiędzy łańcuchami 

polimeru występują wiązania 

chemiczne i osiągana jest równowaga 

w stanie pęcznienia (ilość wody 

wprowadzana do wnętrza polimeru 

ściśle określona)

• Hydrożele odwracalne (fizyczne) – 

wiązania wodorowe pomiędzy 

łańcuchami polimeru

Rodzaj polimeru

Naturalne polimery 
i ich pochodne

 kwas alginowy,  kwas hialuronowy, 

siarczan chondroityny, chitozan, 

kolagen,  fibryna

Syntetyczne polimery

PEG-PLA-PEG, PEG-PLGA-PEG, PEG-PCL-

PEG,

 polialkohol winylowy, metakrylany

Kombinacja naturalnych i 
syntetycznych polimerów/

  kolagen-akrylan, alginian-akrylan

Zastosowania hydrożeli medycynie

Przezskórne 

dozowanie leków

Soczewki kontaktowe

Opatrunki

Właściwości hydrożeli istotne dla 

zastosowań medycznych

• Współczynnik dyfuzji w obrębie hydrożelu
• Właściwości powierzchniowe, niska 

energia powierzchniowa

• Właściwości optyczne (ważne w 

soczewkach kontaktowych)

• Właściwości mechaniczne
• Trwałość, odporność na degradacje 
• Biozgodność 

Hydrożele jako systemy uwalniania 

leków

• Lek wprowadzany jest do hydrożelu w 

procesie polimeryzacji

• Lek wprowadzany jest wraz z woda w 

procesie pęcznienia

• Uwalnianie leku obserwowane jest podczas 

pęcznienia hydrożelu 

• Leki uwalniane są na skutek działania 

określonego czynnika (temperatura, pH, 
stężenie określonych substancji)

Zagadnienia 

• Rodzaje polimerów naturalnych 

stosowanych w medycynie

• Formy implantów polimerowych 

stosowanych w medycynie

• Hydrożele; budowa, właściwości, 

zastosowania